JP2015100256A

JP2015100256A - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP2015100256A
Application number: JP2013252500A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　匡; Tadashi Sato; 匡佐藤; 貴也新藤; Takaya Shindo
Original assignee: Ohira Electronics Co Ltd
Current assignee: Ohira Electronics Co Ltd
Priority date: 2013-11-19
Filing date: 2013-11-19
Publication date: 2015-05-28

Abstract

【課題】非接触給電装置の負荷電圧が軽負荷時にはね上がる現象を解決する手段を提供する。【解決手段】送電アンテナ３に流れる電流が所定の値を超えないように高周波発生器２に直流電力を供給する直流電源１の出力電圧を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は非接触給電装置に関し、特に負荷に加わる電圧の制御を給電側で行う技術に関する。

非接触給電装置は給電側と受電側が互いに離れて設置される装置であるため、受電側で負荷に供給する電圧または電流を一定に保つことが難しく、無負荷時には高い電圧まではね上がることがある。そこで、これを改善するために従来から次のような手段が提供されてきた。一つは図５に示した一例のように受電側に出力電圧制限部を設ける手段である。図において、受電コイル１１１とコンデンサ１１２からなる共振回路によって電磁エネルギが取り込まれ、整流平滑回路１１３によって直流電力に変換されて負荷１１４に供給される。負荷１１４が無負荷に近くなると共振回路両端の電圧がはね上がるので出力電圧制限回路１１５が抑える。特許文献１がこの手段を提供している。別の一つは図６に示した一例のように負荷に加わる電圧値を無線によって受電側から給電側に送り制御する手段である。図において、高周波発生器１２１はパルス幅を変えることができるので、負荷１２７に加わる電圧を送信モジュール１２８と受信モジュール１２４を介して帰還させ、一定になるようにパルス幅を制御させることができる。特許文献２がこの手段を提供している。

特開２００３−２０９９０３号公報特開２００７−３３６７８８号公報

従来の技術の一つである受電側に出力電圧制限回路を設ける方法は、その回路に負荷に加わる電圧電流に近い値の電圧電流が加わることから回路を構成する部品にコストがかかり、スペースをとる。また、軽負荷時では給電装置の出力電流が小さくならないため効率が下がる問題がある。
従来の技術の別の一つである無線送受信モジュールによる方法は、無線送受信モジュールのコストが増え、そのためのスペースも増える。無線が電波による場合は送電コイル周辺の電磁界による干渉がある。また、無線が赤外線による場合はちりやほこりに影響される屋外設置には向かない。

そこで本発明はコストやスペースの増加が小さく、また設置場所等で制限をともなわず、かつ、給電側で負荷に加わる電圧のはね上がりを防ぐことができる非接触給電装置を提供することを目的としている。

上の目的を達成するために請求項１記載の発明は、直流電源と、前記直流電源が出力する直流電力を高周波電力に変換する高周波発生器と、前記高周波発生器が出力する高周波電力を電磁エネルギとして空中に放射する送電アンテナと、前記送電アンテナが空中に放射する電磁エネルギを吸収して高周波電力に変換する受電アンテナと、前記受電アンテナが変換した高周波電力を直流電力に変換して負荷回路に供給する整流平滑回路からなる非接触給電装置において、前記送電アンテナに流れる電流が所定の値を超えないように前記直流電源から前記高周波発生器に供給される電圧を制御する帰還制御回路を付加している。

請求項２の発明は前記制御回路が前記送電アンテナに印加される電圧と電流の位相差を読み取って前記直流電源から前記高周波発生器に供給される電圧を制御する。

本発明によって軽負荷時の電圧のはね上がりが改善された。また、この改善に要する費用は帰還制御回路だけであることからコストアップが小さいという効果とスペースをとらないという効果が得られた。

本発明の第１の実施形態である非接触給電装置を示す図である。本発明の第２の実施形態である非接触給電装置を示す図である。送電アンテナと受電アンテナ間の結合の等価回路を示す図である。送電アンテナに印加される電圧と電流の波形である。従来の方式の一例を示す図である。従来方式の別の一例を示す図である。

請求項１記載の発明を実施するための形態を図１及び図３を用いて説明する。

図１に示した非接触給電装置は直流電源１と、高周波発生器２と、送電アンテナ３と、受電アンテナ４と、整流平滑回路５と、負荷６と、送電アンテナに流れる電流を検出する抵抗７と、帰還制御回路９から構成されている。直流電源１は、交流電源１０から供給される交流電流をブリッジ整流器１２によって直流に変換し、更にリアクトル１３とスイッチ素子１４とダイオード１５とコンデンサ１６とＰＷＭ回路１７からなる昇圧トポロジ構成のスイッチング電源が安定した直流電圧を作る。ＰＷＭ回路１７には帰還制御回路９から信号が入る。

送電アンテナ３に流れる電流が大きくなると抵抗７の両端の電圧が上がるが、その値が所定の値に近づくと帰還制御回路９はＭＯＳＦＥＴ１４を駆動するパルス幅を縮める信号をＰＷＭ回路１７に送る。ＭＯＳＦＥＴ１４のオン幅が縮むことにより高周波発生器２に供給される直流電圧が下がり、送電アンテナ３に流れる電流は所定の値を超えない。すなわち、電流が大きくなるとそれを抑える作用が働く。

図３は送受電アンテナの結合の等価回路を示している。図においてコンデンサ１０１とコンデンサ１０４の容量を各々Ｃ１とＣ２、リアクトル１０２と１０３のインダクタンスを各々Ｌ１とＬ２、リアクトル１０５のインダクタンスをＬ３とすると、送電受電のアンテナが同じものであれば、Ｌ１とＬ２及びＣ１とＣ２は各々同じ値になる。Ｌ３は結合度によって変化するが、アンテナどうしの位置ずれを管理すれば誤差は所定の範囲に入る。

負荷１０６は受電アンテナに接続される回路を示している。

負荷１０６が最大負荷のときは負荷のインピーダンスが小さくなるから、図３のＡとＢの端子からみたインピーダンスは全ての素子の合成インピーダンスになる。逆に負荷が無負荷のときは、Ｃ１とＬ１とＬ３によって決まる合成インピーダンスになる。

高周波発生器２が発生する高周波の周波数に対して、Ｃ１とＬ１の共振周波数が所定の値だけ高くなるようにＣ１とＬ１を選び、Ｃ１と（Ｌ１＋Ｌ３）の共振周波数が所定の値だけ低くなるように選ぶとＡとＢの端子からみたインピーダンスが最大負荷から軽負荷になるに従って小さくなる特性を持たせることができる。すなわち、軽負荷になるに従って電流が増えるようになる。負荷が小さくなる（負荷が抵抗である場合ば抵抗が大きくなる）のに電流が増えるため電圧は指数関数的にはね上がる。

増える電流はＬ３を流れるが、Ｌ３両端の電圧が上がり、その結果負荷に加わる電圧も上がる。そこで、電流が所定の値を超えないように直流電源の出力電圧を加減すると、Ｌ３両端の電圧は負荷の大きさによって影響を受けにくくなり、負荷に加わる電圧の上昇がはね上がるという現象を抑えることができる。

請求項２記載の発明を実施するための形態を図２と図４を用いて説明する。

請求項１の実施例で軽負荷のときに送電アンテナに流れる電流が増える現象を述べたが、このときの電流と電圧の位相は図４に示したようにずれている。最大負荷では一致していた位相も軽負荷になるに従ってずれ始め、無負荷では９０°までずれる。直流電源１の出力電圧が同じであれば位相のずれが大きい程負荷６にかかる電圧は高くなるが、直流電源１の出力電圧を下げることにより位相のずれが小さいときと同じ電圧を維持することができる。そこで、帰還制御回路９は位相差を読み取って、その位相差に応じた信号を直流電源１に帰還する。直流電源１は帰還された信号によって制御される出力電圧を高周波発生器２に供給する。

位相差が大きくなるに従って出力電圧を下げることにより、軽負荷において負荷に加わる電圧がはね上がる現象を抑えることができる。

図１および図２の回路において、高周波発生器２は矩形波発生器でも、また、矩形波発生器の出力側に共振回路が挿入されたものでも、更にまた、Ｅ級アンプ構成の回路であっても、入力電圧に等しいかまたは比例した電圧の高周波電力を出力する高周波発生器であれば良い。

送受電アンテナとして送受電コイルを用いても良い。またコイルは電磁界の結合を利用した電磁共鳴型給電方式でも、電磁誘導の結合を利用した電磁誘導型給電方式でも高周波電力を空間を介して送受電できるものであれば良い。

非接触給電装置の負荷に加わる電圧が軽負荷時に指数関数的に上昇する現象を本発明によって抑えることができた。費用に対して得られる効果が大きいので産業上の利用の可能性は大きい。

１直流電源
２高周波発生器
３送電アンテナ
４受電アンテナ
５整流平滑回路
６負荷
７電流検出抵抗
８電圧検出抵抗
９帰還制御回路
１０交流電源
１１ラインフィルタ
１２ブリッジ整流器
１３リアクトル
１４ＭＯＳＦＥＴ
１５ダイオード
１６コンデンサ
１７ＰＷＭ回路
２１、２２、２３、２４ＭＯＳＦＥＴ
２５リアクトル
２６コンデンサ
５１ブリッジ整流器
５２リアクトル
５３コンデンサ
１０１、１０４コンデンサ
１０２、１０３、１０５リアクトル
１０６負荷
１１１受電コイル
１１２コンデンサ
１１３整流平滑回路
１１４負荷
１１５出力電圧制限回路
１２１高周波発生回路
１２２送電コイル
１２３受電アンテナ
１２４受信モジュール
１２５受電コイル
１２６整流平滑回路
１２７負荷
１２８送信モジュール
１２９送信アンテナ

Claims

直流電源と前記直流電源が出力する直流電力を高周波電力に変換する高周波発生器と前記高周波発生器が出力する高周波電力を電磁エネルギとして空中に放射する送電アンテナと前記送電アンテナが放射する電磁エネルギを吸収して高周波電力に変換する受電アンテナと前記受電アンテナが変換した高周波電力を直流電力に変換して負荷回路に供給する整流平滑回路からなる非接触給電装置において、前記送電アンテナに流れる電流が所定の値を超えないように前記直流電源から前記高周波発生器に供給される電圧を制御する帰還制御回路を付加したことを特徴とする非接触給電装置。
前記制御回路が前記送電アンテナに印加される電圧と電流の位相差を読み取って前記直流電源から前記高周波発生器に供給される電圧を制御する請求項１記載の非接触給電装置。