JP2013183548A - ワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータを複数設ける必要がなくなり、ビートが発生することなく、効率の低下も抑え、コストを低減することができるワイヤレス電力伝送装置を提供する。
【解決手段】直流電源から供給される入力電圧Ｖｃを直流電圧Ｖｄに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ２１と、直流電圧Ｖｄを交流電圧に変換するスイッチング回路２２と、交流電圧が供給されることで受電コイルに対して電磁誘導により電力を供給する送電コイル２４とを備え、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１は入力電圧Ｖｃの変動に応じて直流電圧Ｖｄを安定させるとともに、直流電圧Ｖｄを変化させることにより送電コイル２４から受電コイルに供給する送電電力を制御することを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明はワイヤレス電力伝送装置に関する。

近年、携帯機器向けの電磁誘導型ワイヤレス電力伝送装置が普及しつつある。送電器に内蔵される送電コイルから発生する交流磁界により、電子機器などの受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。送電コイルにはフルブリッジ回路やハーフブリッジ回路などのスイッチング回路から交流電力が供給される。受電コイルに伝送された電力は、整流回路などを介して二次電池などの負荷に供給される。

送電器から受電器へ伝送される送電電力を制御する方法として、周波数制御方式と電圧制御方式がある。周波数制御方式は、送電器側と受電器側の共振周波数に対して、スイッチング回路の発振周波数を制御することにより、送電電力を調整するものである。スイッチング回路に供給される直流電圧が不安定な場合、調整する発振周波数の幅が大きくなってしまう。特に、電源電圧が低下した場合には、発振周波数を低くする必要があるので、コイル形状を大きくして高いインダクタンスを確保するなどの必要があった。一方、電圧制御方式は、送電器側と受電器側の共振周波数およびスイッチング回路の発振周波数を一定とし、スイッチング回路に供給する電圧を制御することにより、送電電力を調整するものである。

ここで、従来のワイヤレス電力伝送装置のブロック図を図１に示す。送電器１０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７、降圧コンバータ１１、スイッチング回路１２、コンデンサ１３、送電コイル１４、復調回路１５、制御回路１６を備える。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１７には、直流電源から直流電圧が供給される。直流電源が車載電源などの場合は、一例として電源電圧が９〜１６Ｖ程度の範囲で変動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７は、１２Ｖの直流電圧Ｖａを出力する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧Ｖａは、降圧コンバータ１１に供給される。降圧コンバータ１１は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の出力電圧Ｖａを変換して直流電圧Ｖｂを出力する。降圧コンバータ１１の出力電圧Ｖｂは、スイッチング回路１２に供給される。スイッチング回路１２の出力端子には、コンデンサ１３と送電コイル１４が直列に接続されている。スイッチング回路１２は、コンデンサ１３と送電コイル１４に交流電力を供給する。そして、送電コイル１４から発生する交流磁界により、受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。

受電器は、負荷の必要電力と送電電力の差分を求め、変調信号として送電器１０に送信する。復調回路１５は、送電コイル１４でピックアップされる変調信号を検出、復調する。制御回路１６は、復調回路１５で復調した信号と降圧コンバータ１１の出力電圧Ｖｂに基づいて降圧コンバータ１１の動作を制御する。制御回路１６は、降圧コンバータ１１の出力電圧Ｖｂを３〜１１Ｖの範囲で変化させることにより、送電電力の制御を行う。

特表２００８−５０３１９６号公報

直流電源として車載電源などの出力が不安定な電源を用いた場合、電圧制御方式のワイヤレス電力伝送を行うためには、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７のような安定化電源を追加する必要がある。そして、ＤＣ／ＤＣコンバータ１７の後段に設けた降圧コンバータ１１の出力電圧を調整することにより、送電電力の制御が可能となっていた。しかし、安定化電源としてＤＣ／ＤＣコンバータ１７を追加しなければならず、コストアップとなっていた。また、複数のコンバータを使用しているため、ビートが発生する恐れもあり、効率も低下してしまう。安定化電源を用いない場合には、直流電源の変動が大きくなるとスイッチング回路１２に供給される直流電圧Ｖｂが所望の値から外れてしまう。そのため、安定した電力伝送を行うことができなかった。

本発明はこのような問題を考慮してなされたものであり、ＤＣ／ＤＣコンバータを複数設ける必要がなくなり、ビートが発生することなく、効率の低下も抑え、コストを低減することができるワイヤレス電力伝送装置を提供することを目的とする。

本発明はこのような目的を達成するため、直流電源から供給される入力電圧を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、該直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、該交流電圧が供給されることで受電コイルに対して電磁誘導により電力を供給する送電コイルとを備え、該ＤＣ／ＤＣコンバータは該入力電圧の変動に応じて該直流電圧を安定させるとともに、該直流電圧を変化させることにより該送電コイルから該受電コイルに供給する送電電力を制御することを特徴とする。

本発明のワイヤレス電力伝送装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータを複数設ける必要がなくなり、ビートが発生することなく、効率の低下も抑え、コストを低減することができる。

従来のワイヤレス電力伝送装置のブロック図 本発明のワイヤレス電力伝送装置のブロック図 本発明のワイヤレス電力伝送装置の他の例のブロック図

図２は、本発明のワイヤレス電力伝送装置のブロック図を示す図である。送電器２０は、昇降圧コンバータ２１、スイッチング回路２２、コンデンサ２３、送電コイル２４、復調回路２５、制御回路２６を備える。

昇降圧コンバータ２１には、直流電源から入力電圧Ｖｃが供給される。直流電源が車載電源などの場合は、一例として入力電圧Ｖｃが９〜１６Ｖ程度の範囲で変動する。昇降圧コンバータ２１は、入力電圧Ｖｃを変換して直流電圧Ｖｄを出力する。昇降圧コンバータ２１の出力電圧Ｖｄは、スイッチング回路２２に供給される。一例として、スイッチング回路２２は、フルブリッジ回路やハーフブリッジ回路などにより構成される。スイッチング回路２２の出力端子には、コンデンサ２３と送電コイル２４が直列に接続されている。スイッチング回路２２は、コンデンサ２３と送電コイル２４に交流電力を供給する。そして、送電コイル２４から発生する交流磁界により、受電器に内蔵される受電コイルに電力を伝送する。

送電コイル２４から受電コイルに伝送される送電電力は、受電器側の出力負荷が必要とする電力と、実際に出力負荷に供給されている電力の差分に応じて制御される。受電器は、負荷の必要電力と送電電力の差分を求め、変調信号として送電器２０に送信する。復調回路２５は、送電コイル２４でピックアップされる変調信号を検出、復調する。制御回路２６は、復調回路２５で復調した信号と昇降圧コンバータ２１の出力電圧Ｖｄに基づいてと昇降圧コンバータ２１の動作を制御する。制御回路２６は、昇降圧コンバータ２１の出力電圧Ｖｄを３〜１１Ｖの範囲で変化させることにより、送電電力の制御を行う。制御回路２６は、汎用のＩＣやマイコン等で構成される。

次に、昇降圧コンバータ２１の具体的な構成について説明する。昇降圧コンバータ２１は、インダクタＬ、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＳ１、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ２、ダイオードＤ１およびＤ２を備える。

入力電圧Ｖｃは、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＳ１のソース端子に供給される。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＳ１のドレイン端子は、インダクタＬの一端に接続されている。インダクタＬの他端は、ダイオードＤ１のアノード端子に接続されている。ダイオードＤ２のカソード端子はインダクタＬの一端に、ダイオードＤ２のアノード端子は、直流電源のＧＮＤに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ２のドレイン端子はインダクタＬの他端に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ２のソース端子は直流電源のＧＮＤに接続されている。Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＳ１およびＮ型ＭＯＳＦＥＴＳ２のゲート端子は、それぞれ制御回路２６に接続されている。出力電圧Ｖｄは、ダイオードＤ１のカソード端子から出力される。

入力電圧Ｖｃを降圧するとき、制御回路２６はＮ型ＭＯＳＦＥＴＳ２をオフにして、Ｐ型ＭＯＳＦＥＴＳ１をスイッチングする。入力電圧Ｖｃを昇圧するとき、制御回路２６はＰ型ＭＯＳＦＥＴＳ１をオンにして、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ２をスイッチングする。

制御回路２６は、昇降圧コンバータ２１の出力電圧Ｖｄに基づいて、昇降圧コンバータ２１の動作を制御する。入力電圧Ｖｃの変動があった場合に、出力電圧Ｖｄを安定させるように制御する。また、受電器の負荷電圧が変動すると、受電器側から送電器側に要求される電力も変化する。制御回路２６は、受電器側から要求される電力に基づいて、昇降圧コンバータ２１の出力電圧Ｖｄを変化させる。制御回路２６は、要求される電力が増加した場合に出力電圧Ｖｄを上げ、要求される電力が減少した場合に出力電圧Ｖｄを下げるよう、昇降圧コンバータ２１を制御する。これにより、スイッチング回路２２の発振周波数やデューティ比を制御することなく、送電電力を制御することができる。

直流電源が車載の１２Ｖ電池などの場合、一例として入力電圧Ｖｃの範囲は９〜１６Ｖ程度になる。また、受電器として５Ｗ以下のモバイル機器を用いる場合には、スイッチング回路２２に供給する出力電圧Ｖｄの範囲が３〜１１Ｖ程度になる。そのため、入力電圧Ｖｃを昇降圧する必要があるため、ＤＣ／ＤＣコンバータとして昇降圧コンバータ２１を用いる。

このように、入力電圧Ｖｃの変動に応じた出力電圧Ｖｄの制御と、送電電力を調整するための出力電圧Ｖｄの制御を一段のＤＣ／ＤＣコンバータにより行っている。そのため、安定化電源を追加する必要がなく、コストアップおよび効率の低下を抑えることができる。また、ＤＣ／ＤＣコンバータを複数設ける必要がなくなり、ビートが発生することもなくなる。

次に、本発明のワイヤレス電力伝送装置の他の例のブロック図を図３に示す。なお、上述した実施形態と同じ機能を有する部位には同じ符号を付し、説明は省略する。

本実施形態は、昇降圧コンバータの構成を変更した点で上述した実施形態と異なる。送電器２０’の昇降圧コンバータ２１’は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ３〜Ｓ６を備える。

入力電圧Ｖｃは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ３のドレイン端子に供給される。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ３のソース端子は、インダクタＬの一端に接続されている。インダクタＬの他端は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ４のドレイン端子に接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ５のドレイン端子はインダクタＬの一端に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ５のソース端子は直流電源のＧＮＤに接続されている。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ６のドレイン端子はインダクタＬの他端に、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ６のソース端子は直流電源のＧＮＤに接続されている。各Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ３〜Ｓ６のゲート端子は、それぞれ制御回路２６に接続されている。出力電圧Ｖｄは、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ４のソース端子から出力される。

Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ３、Ｓ６の動作は、上述した実施形態におけるＰ型ＭＯＳＦＥＴＳ１、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ２の動作とそれぞれ同じである。また、制御回路２６は、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ４、Ｓ５を同期整流素子として制御する。Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ５は、降圧動作用の同期整流素子である。また、Ｎ型ＭＯＳＦＥＴＳ４は、昇圧動作用の同期整流素子である。

本実施形態では、ダイオードＤ１、Ｄ２の代わりにＮ型ＭＯＳＦＥＴＳ４、Ｓ５を設けて同期整流させている。これにより、整流素子による損失を低減することができる。また、すべてのスイッチング素子をＮ型ＭＯＳＦＥＴにすることで、スイッチング素子のオン抵抗を低減し、高効率化を実現できる。

各実施形態において、入力電圧Ｖｃの変動があった場合に出力電圧Ｖｄを安定させるとともに、負荷から要求される電力に応じて出力電圧Ｖｄを昇降圧するのであれば、昇降圧コンバータ２１、２１’はどのような回路構成にしても構わない。

また、直流電源が車載の２４Ｖ電池などの場合は、昇降圧コンバータ２１、２１’の代わりに降圧コンバータを用いてもよい。直流電源の入力電圧範囲やスイッチング回路１２に供給する電圧の仕様によっては、昇降圧コンバータ２１、２１’の代わりに昇圧コンバータを用いてもよい。

また、受電器の負荷で必要とされる電力を送電器側へ要求する方法については、どのような手段を用いてもよい。送受電器にそれぞれ通信コイルを設けて、各通信コイルで通信してもよい。送受電器間で通信を行うことができるのであれば、どのような形態であってもよい。

２０、２０’ 送電器
２１、２１’ 昇降圧コンバータ
２２ スイッチング回路
２３ コンデンサ
２４ 送電コイル
２５ 復調回路
２６ 制御回路

Claims (5)

1. 直流電源から供給される入力電圧を直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、
   該直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、
   該交流電圧が供給されることで受電コイルに対して電磁誘導により電力を供給する送電コイルとを備え、
   該ＤＣ／ＤＣコンバータは該入力電圧の変動に応じて該直流電圧を安定させるとともに、該直流電圧を変化させることにより該送電コイルから該受電コイルに供給する送電電力を制御することを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータは昇降圧コンバータである請求項１に記載のワイヤレス電力伝送装置。
3. 前記スイッチング回路は一定の発振周波数で動作する請求項１または２に記載のワイヤレス電力伝送装置。
4. 前記スイッチング回路は一定のデューティ比で動作する請求項１〜３に記載のワイヤレス電力伝送装置。
5. 前記直流電源は車載電源である請求項１〜４に記載のワイヤレス電力伝送装置。
   

Images