JP2015084608A - ワイヤレス給電システム、送電装置及び送電方法 - Google Patents

ワイヤレス給電システム、送電装置及び送電方法 Download PDF

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Abstract

【課題】受電装置からの情報を取得することなしに、受電装置における負荷の状態を送電装置で特定できるようにすること。
【解決手段】ワイヤレス給電システム100は、送電装置110、及び、送電装置110から磁界共鳴方式で電力の供給を受ける受電装置130を備え、送電装置110は、電力を生成する電源111と、電源111で生成された電力を、受電装置130に伝送する送電部113と、送電部113で得られる反射電力の値を検出する反射電力検出部112と、反射電力検出部112で検出された反射電力の値から、受電装置130における負荷の状態を判定する制御部115と、を備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、ワイヤレス給電システム、送電装置及び送電方法に関し、特に、磁界共鳴方式を用いた、ワイヤレス給電システム、送電装置及び送電方法に関する。
近年、共鳴現象を利用した磁界共鳴方式と呼ばれる方式を用いたワイヤレス給電が注目されている。
現在広く用いられている電磁誘導方式の非接触給電は、送電側と受電側とで磁界を共有する必要がある。このため、電磁誘導方式の非接触給電において効率良く電力を送るためには、送電側と受電側とを極めて近接して配置する必要があり、さらに結合の軸合わせを精度よく行うことが必要である。
一方、共鳴現象を用いた非接触給電は、共鳴現象という原理から、電磁誘導方式よりも距離を離して電力を伝送することが可能で、かつ、多少軸合わせがずれても伝送効率があまり変わらないという利点がある。なお、共鳴現象を用いた伝送方式には、磁界共鳴方式の他に電界共鳴方式がある。以下では、磁界共鳴方式に基づいて説明する。
この磁界共鳴方式を用いたワイヤレス給電システムは、伝送距離を長くする事が可能であるが、この特徴を最大限に発揮するためには動的なインピーダンス制御が必要である。例えば、特許文献1には、低損失でこのインピーダンス制御を可能にするワイヤレス給電システムが開示されている。
この特許文献1に開示されているワイヤレス給電システムでは、給電装置が、送電側のインピーダンス特性から受電側のインピーダンス特性を推定するためのインピーダンス特性推定情報を予め対応テーブルとして記憶している。そして、この給電装置は、送電側のインピーダンスを検出した時点で対応テーブルを参照して受電側のインピーダンス状態を特定する。給電装置は、特定されたインピーダンス状態を示すインピーダンス制御情報を生成して、これを受電装置に送信する。このようなインピーダンス制御情報を受信した受電装置は、この情報で示されるインピーダンス状態に基づき可変整合器のコイルのタップを切り替えて最適なインピーダンスになるように調整する。
特開2011−223739号公報
特許文献1に開示されているワイヤレス給電システムでは、送電側で間接的に受電側のインピーダンスを推定しているにすぎないためインピーダンス制御情報の精度に問題がある。また、特許文献1に開示されているワイヤレス給電システムでは、給電装置から受電装置にインピーダンス制御情報を送信しなければならないため、別個、無線通信装置を備えなければならない。
そこで、本発明は、受電装置から反射電力の情報を得ることで、受電装置における負荷の状態を送電装置で特定できるようにすることを目的とする。
本発明の一態様に係るワイヤレス給電システムは、送電装置、及び、前記送電装置から磁界共鳴方式で電力の供給を受ける受電装置を備えるワイヤレス給電システムであって、前記送電装置は、電力を生成する電力生成部と、前記電力生成部で生成された電力を、前記受電装置に伝送する送電部と、前記送電部で得られる反射電力の値を検出する反射電力検出部と、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値から、前記受電装置における負荷の状態を判定する制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、受電装置から反射電力の情報を得ることで、受電装置における負荷の状態を送電装置で特定することができる。
実施の形態に係るワイヤレス給電システムの構成を概略的に示すブロック図である。 ワイヤレス給電システムにおける磁界共鳴方式のワイヤレス給電の原理を説明するための概略図である。 ワイヤレス給電システムでの処理を示すフローチャート(その1)である。 ワイヤレス給電システムでの処理を示すフローチャート(その2)である。 受電装置における負荷変動に対する周波数と伝送効率を表す概略図である。
実施の形態
図1は、実施の形態に係るワイヤレス給電システム100の構成を概略的に示すブロック図である。ワイヤレス給電システム100は、送電装置110と、送電装置110から磁界共鳴方式で電力の供給を受ける受電装置130とを備える。一般に、ワイヤレス給電システム100では、負荷が短絡状態である場合及び無負荷の場合に問題が生ずる。例えば、負荷が短絡状態であると、過負荷状態、言い換えると、伝送効率が低下すると共にコイルでの損失が増大し、発熱の問題が発生する。また、無負荷の状態であると、負荷はないものの送電装置110は常に共鳴動作をしているため、送電側での電力の損失が常に発生していることになる。従って、これらの状態においては何らかの処置が必要とされる。
送電装置110は、電源111と、反射電力検出部112と、送電部113と、メモリ114と、制御部115とを有する。
電源111は、給電すべき電力を生成する電力生成部である。本実施の形態では、電源111は、ワイヤレスで電力を伝送するための、高周波の交流電力を生成する。
反射電力検出部112は、送電部113からの反射電力の値を検出する。本実施の形態においては、後述するように、電源111と送電部113との間のインピーダンス整合がとられているため、反射電力検出部112で検出される反射電力の値は、受電装置130における負荷変動が反映される。言い換えると、反射電力検出部112は、受電装置130からの反射電力を検出することが可能である。
送電部113は、電源111で生成された電力を磁界共鳴方式で伝送する。送電部113は、励磁コイル113aと、送電コイル113bとを備える。
励磁コイル113aは、電源111から供給される交流電流により、磁界を発生する。そして、励磁コイル113aは、電磁誘導により、電源111から供給される交流電流を送電コイル113bに供給する。例えば、励磁コイル113aは、空心コイルにより形成される。
また、励磁コイル113aでは、送電コイル113bと電源111との間のインピーダンス整合がとられている。励磁コイル113aのインピーダンスは、通常、低インピーダンスである。これにより、電源111と送電部113との間でインピーダンスが整合することとなる。
送電コイル113bは、励磁コイル113aから供給される交流電力を、磁界共鳴方式で受電装置130に伝送する。例えば、送電コイル113bは、空心コイルにより形成される。なお、送電コイル113bは、共鳴コイル又は共振コイルとも呼ばれる。
メモリ114は、反射電力の値に対応する、受電装置130における負荷インピーダンスを示す対応負荷情報を記憶する記憶部である。例えば、対応負荷情報は、反射電力の各々の値に対応する、受電装置130における負荷インピーダンスを予め測定することにより生成される。
制御部115は、反射電力検出部112で検出された反射電力の値から、受電装置130における負荷の状態を判定する。例えば、制御部115は、メモリ114に記憶されている対応負荷情報に基づいて、反射電力検出部112で検出された反射電力の値に対応する負荷インピーダンスを特定する。そして、制御部115は、特定された負荷インピーダンスに基づいて、受電装置130における負荷の状態を判定する。
また、制御部115は、受電装置130における負荷の状態に応じて、予め定められた処理を行う。例えば、制御部115は、特定された負荷インピーダンスにより、受電装置130の負荷が異常状態(例えば、短絡又は無負荷の状態)であると判定した場合には、受電装置130への電力の伝送を停止する処理を行う。
さらに、制御部115は、受電装置130への電力の伝送を停止してから予め定められた一定の期間経過後に、受電装置130への電力の伝送を再開する処理を行う。そして、再び、制御部115は、受電装置130における負荷の状態を判定して、この判定結果に応じた処理を行う。
なお、制御部115は、受電装置130への電力の伝送を停止した場合には、受電装置130への電力の伝送を停止したことを外部に通知する処理を行う。
次に、受電装置130は、受電部131と、整流部132と、安定化電源部133と、負荷134とを備える。
受電部131は、送電装置110から伝送された電力を、磁界共鳴方式で受電する。受電部131は、受電コイル131aと、励磁コイル131bとを備える。
受電コイル131aは、送電装置110の送電コイル113bから伝送される電力を、磁界共鳴方式で受電する。そして、受電コイル131aの自己共振周波数と、送電コイル113bの自己共振周波数とが一致したときに、磁界共鳴関係となり電力を効率よく伝送することができる。
そして、受電コイル131aは、電磁誘導により、送電装置110から受電した交流電力を、励磁コイル131bに供給する。
励磁コイル131bは、受電コイル131aから供給された交流電力を、整流部132に給電する。なお、励磁コイル131bでは、受電コイル131aと整流部132との間のインピーダンス整合がとられている。励磁コイル131bのインピーダンスは、通常、低インピーダンスである。これにより、受電部131と整流部132との間でインピーダンスが整合することとなる。
整流部132は、励磁コイル131bから受電した交流電力を整流して直流(DC)電力として安定化電源部133に供給する。
安定化電源部133は、整流部132から供給されるDC電力を、供給先の負荷134の仕様に応じたDC電圧に変換して、その安定化したDC電力を負荷134に与える。
次に、図2を用いて、ワイヤレス給電システム100における磁界共鳴方式のワイヤレス給電の原理を説明する。図2では、送電装置110の反射電力検出部112、メモリ114及び制御部115は、省略している。
まず、送電装置110において、電源111が、ワイヤレス電力伝送の為の高周波電力を生成する。電源111で発生された高周波電力は、励磁コイル113aに供給される。そして、この高周波電力は、電磁誘導にて励磁コイル113aから送電コイル113bに給電される。送電コイル113bは、共振周波数にて、受電装置130に電力の伝送を行う。
次に、受電装置130では、受電コイル131aは、共振周波数にて、送電装置110から電力を受電する。受電コイル131aで受電された交流電力は、電磁誘導によって、励磁コイル131bに給電される。そして、励磁コイル131bは、受電した交流電力を整流部132に与える。整流部132は、受電した交流電力を整流して直流電力として安定化電源部133に供給する。安定化電源部133は、整流部132から供給された直流電力を、負荷134に応じた直流電圧に変換して、この直流電圧を負荷134に与える。
以上に示すように、磁界共鳴方式のワイヤレス給電では、送電コイル113bと受電コイル131aとの共振周波数が同じ時に磁界共鳴の状態となる。磁界共鳴の状態では、両コイルの結合度が最大となり、かつ、電力の損失が最小となり、この状態で電力の伝送が行われる。なお、電源111で発生される周波数は、送電コイル113bの共振周波数と同じになるように設定されている。また、励磁コイル113aと送電コイル113b、及び、受電コイル131aと励磁コイル131bは、それぞれ電磁誘導で結合される。そして、励磁コイル113a、131bは、送電コイル113bと受電コイル131aの共鳴動作に負荷変動等による影響がでないようにインピーダンス整合(変換)の機能を有している。
ワイヤレス給電システム100では、通常、送電コイル113bと受電コイル131aとの間の距離を変えたり、受電装置130の負荷134に変動があったりすると効率が下がるため、インピーダンスの調整が必要となる。特に距離が変わった場合は、両コイル113b、131aの相互インダクタンスも変わることから、共振周波数の変動と、インピーダンスの双方の変動が発生する。これに対応するために、インピーダンスは再調整される。これについては、特許文献1に例が記載されており、例えば、励磁コイル113a、131bの径を変更することにより、インピーダンスを調整することができる。
本実施の形態は、送電コイル113bと受電コイル131aとの間の距離が一定の場合において、負荷134が変動したときを想定している。
図3及び4は、ワイヤレス給電システム100での処理を示すフローチャートである。図3及び図4に示されているフローは、送電装置110から受電装置130に電力の伝送が行われている間に開始される。例えば、送電装置110の制御部115に、入力端子(入力部)116を介して、外部よりワイヤレス給電システム100の起動信号G1が入力されると、制御部115は、電源111に電力発生信号S2aを送信する。このような信号を受けた電源111は、高周波の交流電力を生成する。生成された交流電力は、反射電力検出部112及び励磁コイル113aを介して、送電コイル113bに送られ、送電コイル113bから電力の伝送が開始される。
予め定められた一定期間経過後、制御部115は、反射電力検出部112に、反射電力検出要求G3aを与える(S10)。
反射電力検出要求G3aを受けた反射電力検出部112は、受電装置130における負荷変動に伴う反射電力の値を検出する。図5は、受電装置における負荷変動に対する周波数と伝送効率を表す概略図である。送電装置110の電源111の出力端に設置されている反射電力検出部112は、この図5で表されている変化を反射電力の値として検出する。そして、反射電力の値を検出したら、反射電力検出部112は、制御部115にその反射電力の値を示す反射検出情報S3bを与える(S11)。
制御部115は、メモリ114に記憶されている対応負荷情報を参照して、反射電力検出情報S3bで示される反射電力の値に対応する、現在の受電装置130の負荷インピーダンスを特定する(S12)。
制御部115は、特定された負荷インピーダンスに基づいて、異常状態であるか否かを判定する(S13)。例えば、制御部115は、特定された負荷インピーダンスを予め定められた閾値と比較することにより、負荷の短絡状態又は負荷が無負荷であると判断できる場合には、異常状態であると判定する。そして、制御部115は、異常状態であると判定した場合(S13:Yes)には、ステップS14の処理に進み、異常状態ではないと判定した場合(S13:No)には、ステップS10の処理に戻る。
ステップS14では、制御部115は、負荷が異常状態となっているため、電源111に電力発生停止信号G2bを送出する。このような信号を受けた電源111は、電力の生成を停止するため、送電コイル113bからの電力伝送も停止される。
そして、制御部115は、出力端子(出力部)117から、電力伝送停止信号G4を出力する(S15)。この電力伝送停止信号G4は、送電装置110の外部の装置(図示せず)に負荷の異常で電力伝送を停止したことを知らせるためのものである。外部の装置は、例えば、ライト又はLEDの点灯、若しくは、ディスプレイに異常を知らせる情報を表示させる等、システムに合わせて自由な形態で、この信号を使用できる。次に、制御部115は、図4のステップS16の処理に進む。
図4のステップS16では、制御部115は、電力伝送停止信号G2bを与えてから予め定められた一定期間を計測する。そして、制御部115は、この一定期間の経過後、電源111に電力発生信号G2aを与える(S17)。また、制御部115は、出力端子117を介した電力停止信号G4の出力を停止する(S18)。これにより、送電コイル113bは、電力伝送を再開する。
電力の伝送が再開されてから予め定められた一定期間経過後、制御部115は、反射電力検出部112に、反射電力検出要求G3aを与える(S19)。
反射電力検出要求G3aを受けた反射電力検出部112は、受電装置130における負荷変動に伴う反射電力の値を検出する。そして、反射電力の値を検出したら、反射電力検出部112は、制御部115にその反射電力の値を示す反射検出情報S3bを与える(S20)。
制御部115は、メモリ114に記憶されている対応負荷情報を参照して、反射電力検出情報S3bで示される反射電力の値に対応する、現在の受電装置130の負荷インピーダンスを特定する(S21)。
制御部115は、特定された負荷インピーダンスに基づいて、異常状態であるか否かを判定する(S22)。そして、制御部115は、異常状態であると判定した場合(S22:Yes)には、ステップS23の処理に進み、異常状態ではないと判定した場合(S22:No)には、図3のステップS10の処理に戻る。
ステップS23では、制御部115は、負荷が異常状態となっているため、電源111に電力発生停止信号S2bを送出する。このような信号を受けた電源111は、電力の生成を停止するため、送電コイル113bからの電力伝送も停止される。
そして、制御部115は、出力端子117から、電力伝送停止信号G4を出力する(S24)。次に、制御部115は、ステップS16の処理に戻る。
以上のように、本実施の形態によれば、ワイヤレス給電システム100を負荷の異常から保護することができる。この場合、負荷の状態を反射電力で直接受電装置130から得るため情報の精度が高く、また、電力伝送の停止及び再開の判断を送電装置110側のみで可能であるため、複雑な制御を必要としないで精度の高い動作の実現が可能となる。
なお、図3のフローで示されている電力伝送停止処理及び図4のフローで示されている電力伝送再開処理の何れか一方だけで、実施の形態が成立し得る。
以上に記載した実施の形態においては、制御部115は、メモリ114に記憶されている対応負荷情報を参照して、反射電力検出情報S3bで示される反射電力の値に対応する、現在の受電装置130の負荷インピーダンスを特定し、この負荷インピーダンスに基づいて、負荷の異常状態を判定している。しかしながら、このような例に限定されず、例えば、メモリ114には、反射電力の値に基づいて、負荷の異常状態を判定するための閾値が記憶されており、制御部115は、反射電力検出情報S3bで示される反射電力の値とこの閾値とを比較した比較結果により、負荷の異常状態を判定してもよい。
100:ワイヤレス給電システム、 110:送電装置、 111:電源、 112:反射電力検出部、 113:送電部、 114:メモリ、 115:制御部、 130:受電装置、 131:受電部、 132:整流部、 133:安定化電源部、 134:負荷。

Claims (19)

  1. 送電装置、及び、前記送電装置から磁界共鳴方式で電力の供給を受ける受電装置を備えるワイヤレス給電システムであって、
    前記送電装置は、
    電力を生成する電力生成部と、
    前記電力生成部で生成された電力を、前記受電装置に伝送する送電部と、
    前記送電部で得られる反射電力の値を検出する反射電力検出部と、
    前記反射電力検出部で検出された反射電力の値から、前記受電装置における負荷の状態を判定する制御部と、を備えること
    を特徴とするワイヤレス給電システム。
  2. 前記送電装置は、
    反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを示す対応負荷情報を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記制御部は、前記対応負荷情報を参照することで、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを特定し、特定された負荷インピーダンスにより前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電システム。
  3. 前記送電装置は、
    反射電力の値に基づいて、前記受電装置における負荷の状態を判定するための閾値を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記制御部は、前記閾値と、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値とを比較し、当該比較結果により前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項1に記載のワイヤレス給電システム。
  4. 前記制御部は、前記判定された負荷の状態に応じて、予め定められた処理を行うこと
    を特徴とする請求項1から3の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
  5. 前記制御部は、前記受電装置における負荷の状態の判定として、前記受電装置の負荷が異常な状態であるか否かを判定し、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定した場合には、前記予め定められた処理として、前記受電装置への電力の伝送を停止する処理を行うこと
    を特徴とする請求項4に記載のワイヤレス給電システム。
  6. 前記制御部は、前記受電装置の負荷が短絡又は前記受電装置が無負荷と判断することができる場合に、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定すること
    を特徴とする請求項5に記載のワイヤレス給電システム。
  7. 前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送を停止してから予め定められた一定の期間経過後に、前記受電装置への電力の伝送を再開する処理を行い、
    前記反射電力検出部は、前記受電装置への電力の伝送の再開後に前記送電部で反射電力の値を検出し、
    前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送の再開後に、前記反射電力検出が検出した反射電力の値に基づいて、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定した場合には、前記受電装置への電力の伝送を再度停止する処理を行うこと
    を特徴とする請求項5又は6に記載のワイヤレス給電システム。
  8. 前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送を停止又は再度停止した場合には、前記受電装置への電力の伝送を停止又は再度停止したことを外部に通知する処理を行うこと
    を特徴とする請求項5から7の何れか一項に記載のワイヤレス給電システム。
  9. 電力を生成する電力生成部と、
    前記電力生成部で生成された電力を、磁界共鳴方式で受電装置に伝送する送電部と、
    前記送電部で得られる反射電力の値を検出する反射電力検出部と、
    前記反射電力検出部で検出された反射電力の値から、前記受電装置における負荷の状態を判定する制御部と、を備えること
    を特徴とする送電装置。
  10. 反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを示す対応負荷情報を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記制御部は、前記対応負荷情報を参照することで、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを特定し、特定された負荷インピーダンスにより前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項9に記載の送電装置。
  11. 反射電力の値に基づいて、前記受電装置における負荷の状態を判定するための閾値を記憶する記憶部をさらに備え、
    前記制御部は、前記閾値と、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値とを比較し、当該比較結果により前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項9に記載の送電装置。
  12. 前記制御部は、前記判定された負荷の状態に応じて、予め定められた処理を行うこと
    を特徴とする請求項9から11の何れか一項に記載の送電装置。
  13. 前記制御部は、前記受電装置における負荷の状態の判定として、前記受電装置の負荷が異常な状態であるか否かを判定し、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定した場合には、前記予め定められた処理として、前記受電装置への電力の伝送を停止する処理を行うこと
    を特徴とする請求項12に記載の送電装置。
  14. 前記制御部は、前記受電装置の負荷が短絡又は前記受電装置が無負荷と判断することができる場合に、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定すること
    を特徴とする請求項13に記載の送電装置。
  15. 前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送を停止してから予め定められた一定の期間経過後に、前記受電装置への電力の伝送を再開する処理を行い、
    前記反射電力検出部は、前記受電装置への電力の伝送の再開後に前記送電部からの反射電力の値を検出し、
    前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送の再開後に、前記反射電力検出が検出した反射電力の値に基づいて、前記受電装置の負荷が異常な状態であると判定した場合には、前記受電装置への電力の伝送を再度停止する処理を行うこと
    を特徴とする請求項13又は14に記載の送電装置。
  16. 前記制御部は、前記受電装置への電力の伝送を停止又は再度停止した場合には、前記受電装置への電力の伝送を停止又は再度停止したことを外部に通知する処理を行うこと
    を特徴とする請求項13から15の何れか一項に記載の送電装置。
  17. 電力を生成する電力生成過程と、
    前記電力生成過程で生成された電力を、磁界共鳴方式で受電装置に伝送する送電過程と、
    前記送電過程における反射電力の値を検出する反射電力検出過程と、
    前記反射電力検出過程で検出された反射電力の値から、前記受電装置における負荷の状態を判定する制御過程と、を有すること
    を特徴とする送電方法。
  18. 前記制御過程は、反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを示す対応負荷情報を参照することで、前記反射電力検出過程で検出された反射電力の値に対応する、前記受電装置の負荷インピーダンスを特定し、特定された負荷インピーダンスにより前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項17に記載の送電方法。
  19. 前記制御部は、反射電力の値に基づいて、前記受電装置における負荷の状態を判定するための閾値と、前記反射電力検出部で検出された反射電力の値とを比較し、当該比較結果により前記受電装置における負荷の状態を判定すること
    を特徴とする請求項17に記載の送電方法。
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