JP2016012975A - 非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システム - Google Patents

非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システム Download PDF

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Abstract

【課題】非接触給電システム全体で、電力損失を抑制しつつ小型化を図った非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システムを提供する。
【解決手段】給電装置20は励磁回路22と給電コイル23とを備える。励磁回路22は、受電装置30から負荷40に印加される交流電圧の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号に応じて、整流平滑回路21からの入力電圧をスイッチングすることによって、給電コイル23に印加する励磁電流を発生する。受電装置30は受電コイル31とフィルタ回路32とを備える。フィルタ回路32は、電磁誘導により受電コイル31に発生する交流波形から、負荷40に印加される交流電圧の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させる。
【選択図】図1

Description

本発明は、非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システムに関し、より詳細には、非接触で電力を伝達する非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システムに関する。
従来、1次側ユニットから2次側ユニットに非接触で電力を供給する非接触電源装置が提案されている(例えば特許文献1参照)。
この非接触電源装置が備える2次側ユニットは、結合トランスの2次側巻線に流れる誘起電流を整流、平滑する整流平滑回路と、整流平滑回路の出力を正弦波の交流電圧に変換して負荷に供給するインバータ回路とを備えていた。
特開2004−96853号公報
特許文献1に記載の非接触電源装置では、結合トランスの2次側巻線に流れる誘起電流を整流平滑回路が直流電圧に変換している。したがって、負荷に交流電圧を供給するために、整流平滑回路から出力される直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路が必要であり、インバータ回路を備える分だけ装置が大型になっていた。また2次側ユニットでは、整流平滑回路が結合トランスの2次側の交流出力を直流に変換した後、インバータ回路が整流平滑回路の直流出力を交流に変換しているため、直流と交流の変換ロスが2回分発生し、装置全体での電力損失が増大する要因となっていた。
本発明は上記課題に鑑みて為され、非接触給電システム全体で、電力損失を抑制しつつ小型化を図った非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システムを提供することを目的とする。
本発明の非接触給電装置は、非接触受電装置が備える受電コイルに電磁的に結合されて、前記受電コイルに電磁誘導により電力を供給する給電コイルと、前記非接触受電装置から負荷に印加される交流電圧の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM(Pulse Width Modulation)信号に応じて、入力電圧をスイッチングすることによって前記給電コイルに印加する励磁電流を発生する励磁部とを備えたことを特徴とする。
本発明の非接触受電装置は、非接触給電装置が備える給電コイルに電磁的に結合されて、前記給電コイルから電磁誘導により電力を受ける受電コイルと、電磁誘導により前記受電コイルに発生する交流波形から、負荷に印加される交流電圧の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させるフィルタ部とを備えたことを特徴とする。
本発明の非接触給電システムは、上記の非接触給電装置と、上記の非接触受電装置とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、非接触給電システム全体で、電力損失を抑制しつつ小型化を図った非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システムを実現できる。
本実施形態のブロック図である。 本実施形態の回路図である。 本実施形態のPWM信号発生部における正弦波信号、基準信号、PWM信号の波形図である。 本実施形態の給電コイルに印加される電圧、及び、受電装置から出力される交流電圧の波形図である。 本実施形態の別の回路構成を示す回路図である。
以下、本実施形態に係る非接触給電システムについて図面を参照して説明する。なお、以下に説明する構成は本発明の一例に過ぎない。本発明は、以下の実施形態に限定されず、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
図1は本実施形態の非接触給電システム10のブロック図であり、図2は本実施形態の非接触給電システム10の概略的な回路図である。
本実施形態の非接触給電システム10は、図1に示すように、非接触給電装置(以下、給電装置と言う。)20と、非接触受電装置(以下、受電装置と言う。)30とを備える。本実施形態の非接触給電システム10では、例えば、給電装置20が造営材(床や壁など)の裏側に設置され、受電装置20は造営材の表側に配置される。給電装置20は、交流電源100から供給された電力を、受電装置30に非接触で供給する。受電装置30は、例えば商用交流電源で動作する負荷40(掃除機やテレビ受像機などの一般的な電気機器)の電源プラグ(図示せず)が着脱自在に接続されるコンセント部33を備えている。受電装置30は、給電装置20から非接触で供給された電力を、コンセント部33に接続された負荷40に供給する。したがって、造営材の裏側において複数箇所に給電装置20を設置しておけば、造営材の表側において、負荷40の近くにある給電装置20から受電可能な位置に受電装置30を配置して、この受電装置30から負荷40に電力を供給させることができる。
給電装置20は、整流平滑回路21と、励磁回路22(励磁部)と、給電コイル23と、PWM信号発生部241を含む制御回路24とを備える(図2参照)。
整流平滑回路21は、例えば商用交流電源のような交流電源100から入力される交流電圧を全波整流器(図示せず)で整流した後、コンデンサ(図示せず)で平滑して、電圧値が一定の直流電圧に変換する。
励磁回路22は、受電装置30から負荷40に供給される交流電圧V2の周期でデューティ比が変化するPWM信号に応じて、整流平滑回路21から入力される入力電圧をスイッチングすることによって、給電コイル23に印加する励磁電流を発生する。
給電コイル23は、受電装置30が備える受電コイル31に電磁的に結合されて、受電コイル31に電磁誘導により電力を供給する。
制御回路24は、励磁回路22の動作を制御する。
受電装置30は、受電コイル31と、フィルタ回路32とを備える。また本実施形態の受電装置30はコンセント部33をさらに備えている。
受電コイル31は、給電装置20が備える給電コイル23に電磁的に結合されて、給電コイル23から電磁誘導により電力を受ける。
フィルタ回路32は、電磁誘導により受電コイル31に発生する交流波形から、負荷40に供給する交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させる。フィルタ回路32の出力電圧は、コンセント部33に接続された負荷40に、コンセント部33を介して印加される。
次に、図2の回路図を参照して、励磁回路22、制御回路24、及びフィルタ回路32の具体構成を説明する。
励磁回路22は4つのスイッチング素子221〜224を備えている。スイッチング素子221〜224は例えば電界効果トランジスタからなり、スイッチング素子221〜224は制御回路24によってオン/オフが制御される。ここで、スイッチング素子221,222の直列回路と、スイッチング素子223,224の直列回路とが、整流平滑回路21の出力端子間に並列に接続されており、励磁回路22はフルブリッジ構成のインバータ回路で構成されている。スイッチング素子221,222の接続点P1と、スイッチング素子223,224の接続点P2の間に給電コイル23が電気的に接続されている。
制御回路24は、PWM信号発生部241と、NOTゲート242とを備える。
PWM信号発生部241は、受電装置30から負荷40に供給される交流電圧V2の周期で、デューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号S3を発生する。このPWM信号S3のデューティ比は、交流電圧V2の周期で、一定の変化パターンにしたがって増減を周期的に繰り返している。
このPWM信号発生部241は、正弦波発生回路243と、三角波発生回路244と、コンパレータ245とを備えている。
正弦波発生回路243は、交流電圧V2と周波数がほぼ同じ周波数(例えば商用交流電源の周波数であって、50Hz又は60Hz)である正弦波信号S1を発生する。
三角波発生回路244は、正弦波信号S1よりも周波数が高く、且つ、信号のピーク値が正弦波信号S1よりもやや大きい三角波信号である基準信号S2を発生する。なお、基準信号S2の周波数は正弦波信号S1の周波数の2倍以上であればよく、本実施形態では約5倍に設定されている。
コンパレータ245は、正弦波信号S1の信号レベルと、三角波信号である基準信号S2の信号レベルの高低を比較する。ここで、コンパレータ245のマイナス入力端子には正弦波信号S1が入力され、コンパレータ245のプラス入力端子には基準信号S2が入力されている。したがって、図3に示すように、正弦波信号S1の信号レベルが基準信号S2の信号レベルよりも高い期間では、コンパレータ245から出力されるPWM信号S3の信号レベルはローレベルとなる。正弦波信号S1の信号レベルが基準信号S2の信号レベルよりも低い期間では、PWM信号S3の信号レベルはハイレベルとなる。よって、PWM信号S3は、正弦波信号S1の周期T1で、デューティ比が増減を繰り返すようなデューティ信号であって、基準信号S2と正弦波信号S1との差分が大きいほどオン期間の割合が大きくなるようなデューティ信号となる。
コンパレータ245から出力されるPWM信号S3は、スイッチング素子221,224の制御電極にそれぞれ入力される。またPWM信号S3はNOTゲート242に入力され、NOTゲート242の出力信号はスイッチング素子222,223の制御電極にそれぞれ入力される。すなわち、スイッチング素子222,223の制御電極には、PWM信号S3のハイ/ローを反転させた信号が入力される。
PWM信号S3の信号レベルがハイの期間では、スイッチング素子221,224がオン、スイッチング素子222,223がオフになり、整流平滑回路21からスイッチング素子221→給電コイル23→スイッチング素子224の経路で電流が流れる。一方、PWM信号S3の信号レベルがローの期間では、スイッチング素子221,224がオフ、スイッチング素子222,223がオンになり、整流平滑回路21からスイッチング素子223→給電コイル23→スイッチング素子222の経路で電流が流れる。したがって、スイッチング素子221,224の組と、スイッチング素子222,223の組とが交互にオン/オフされることによって、給電コイル23には交流電流が印加され、給電コイル23の周りには励磁電流の時間変化に応じた磁束が発生する。
一方、受電装置30が備えるフィルタ回路32は、受電コイル31と、受電コイル31の両端間に接続されたコンデンサ321とを用いたLCフィルタ回路で構成される。受電コイル31とコンデンサ321とを用いたLCフィルタ回路はローパスフィルタ回路であり、負荷40に印加する交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させる。なお、本実施形態ではLCフィルタ回路のインダクタを受電コイル31が兼用しているが、受電コイル31とは別に設けたインダクタとコンデンサ321とでLCフィルタ回路を構成してもよい。また、フィルタ回路32はLCフィルタ回路に限定されず、交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させるフィルタ回路であれば、抵抗器とコンデンサとを用いたRC直列回路でもよいし、それ以外のフィルタ回路でもよい。
コンデンサ321の両側の端子がコンセント部33に電気的に接続されており、コンデンサ321の両端電圧(すなわちフィルタ回路32の出力電圧)が、コンセント部33を介して負荷40に印加される。
次に、本実施形態の非接触給電システム10の動作を説明する。なお、受電装置30は、受電コイル31が給電コイル23と磁気的に結合され、給電装置20から非接触で電力の供給を受けることができる位置に配置されている。
整流平滑回路21は、交流電源100から入力される交流電圧を整流、平滑して、電圧値が一定の直流電圧に変換し、励磁回路22に出力する。PWM信号発生部241では、コンパレータ245のマイナス入力端子に正弦波信号S1が入力され、コンパレータ245のプラス入力端子に基準信号S2が入力されている。コンパレータ245は、正弦波信号S1と基準信号S2との高低に応じて、出力の信号レベルがハイ又はローに切り替わることによって、交流電圧V2の周期でデューティ比が周期的に変動を繰り返すようなPWM信号S3を発生する。このPWM信号S3はスイッチング素子221,224の制御電極に入力され、PWM信号S3のハイ/ローを反転させた信号(NOTゲート242の出力信号)がスイッチング素子222,223に入力される。
PWM信号S3の信号レベルがハイの期間には、スイッチング素子221,224がオン、スイッチング素子222,223がオフになり、給電コイル23には接続点P1から接続点P2に向かって電流が流れる。一方、PWM信号S3の信号レベルがローの期間には、スイッチング素子221,224がオフ、スイッチング素子222,223がオンになり、給電コイル23には接続点P2から接続点P1に向かって電流が流れる。PWM信号S3は、図3に示すように、交流電圧V2の周期と同じ周期T1で、デューティ比が同一の変化パターンにしたがって増減を繰り返すような信号となっている。そのため、励磁回路22から給電コイル23に印加される電圧V1は、図4に示すように、PWM信号S3がハイの期間には正の一定電圧となり、PWM信号S3がローの期間には負の一定電圧となるような矩形波のパルス電圧となる。このとき、給電コイル23に流れる電流は電圧V1に応じて変化し、電流変化に応じた磁束が給電コイル23の周囲に発生する。
ここで、給電コイル23の近傍に、受電装置30の受電コイル31が存在していれば、給電コイル23の周囲に磁束が発生することによって、電磁誘導により受電コイル31に電流が流れる。受電コイル31に発生する交流波形には、交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分(PWM信号S3の周波数成分)が存在するが、この高周波成分は受電コイル31とコンデンサ321とで構成されるローパスフィルタによって減衰させられる。したがって、フィルタ回路32から出力される交流電圧V2は、図4に示すように、高周波成分が減衰させられた後の正弦波交流電圧となり、この交流電圧V2が負荷40に印加される。すなわち、負荷40には、商用交流電源の電源電圧と同様の交流電圧V2が印加されるから、商用交流電源の供給を受けて動作する負荷40を動作させることができる。
ところで、上記実施形態の非接触給電システムでは、励磁回路22がフルブリッジインバータ回路で構成されているが、図5に示すように励磁回路22がハーフブリッジインバータ回路で構成されていてもよい。また、図5に示す給電装置20では、交流電源100から入力される交流電圧を直流に変換する整流平滑回路21の代わりに、電池25と平滑回路26とを備えている。なお、励磁回路22、電池25、及び平滑回路26以外の構成は図2に示す非接触給電システム10と同様であるので、共通する構成要素には同一の符号を付して、その説明は省略する。
図1及び図2に示す給電装置20は外部の交流電源100から電力を得ているが、図5に示す給電装置20は内蔵の電池25から電力を得ている。電池25は1次電池でも良いし、鉛蓄電池やニッケル水素電池やリチウムイオン電池のような2次電池でもよく、負荷40に供給する電力量に応じた蓄電量の電池を使用すればよい。
平滑回路26は、電池25の出力電圧を平滑して励磁回路22に出力する。
励磁回路22は、2個のスイッチング素子225,226と2個のコンデンサ227,228を備えたハーフブリッジインバータ回路である。平滑回路26の出力端子間に、2個のスイッチング素子225,226の直列回路と、2個のコンデンサ227,228の直列回路が並列に接続されている。スイッチング素子225,226の接続点P3と、コンデンサ227,228の接続点P4との間に給電コイル23が接続されている。スイッチング素子225,226は例えば電界効果トランジスタからなり、スイッチング素子225,226は制御回路24によってオン/オフが制御される。高電位側のスイッチング素子225の制御電極には、PWM信号発生部241が発生したPWM信号S3が入力される。低電位側のスイッチング素子226の制御電極には、PWM信号S3のハイ/ローをNOTゲート242で反転させた信号が入力される。
PWM信号S3がハイの期間には、スイッチング素子225がオン、スイッチング素子226がオフになり、平滑回路26からスイッチング素子225→給電コイル23→コンデンサ228の経路で、給電コイル23に電流が流れ、コンデンサ228が充電される。PWM信号S3がローの期間には、スイッチング素子225がオフ、スイッチング素子226がオンになり、コンデンサ228が放電して、コンデンサ228→給電コイル23→スイッチング素子226→コンデンサ228の経路で、給電コイル23に電流が流れる。
したがって、PWM信号S3のハイ/ローに応じてスイッチング素子225,226が交互にオン/オフすることによって、給電コイル23には交流電流が印加され、給電コイル23の周りには励磁電流の時間変化に応じた磁束が発生する。これにより、給電コイル23から電磁誘導により受電コイル31に電力が供給され、受電装置30から負荷40に電力が供給される。
以上説明したように、本実施形態の給電装置20は給電コイル23と励磁回路22(励磁部)とを備えたことを特徴とする。給電コイル23は、受電装置30が備える受電コイル31に電磁的に結合されて、受電コイル31に電磁誘導により電力を供給する。励磁回路22は、受電装置30から負荷40に印加される交流電圧V2の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号S3に応じて、入力電圧をスイッチングすることによって給電コイル23に印加する励磁電流を発生する。
このように、励磁回路22は、交流電圧V2の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号S3に応じて、入力電圧をスイッチングすることによって、励磁電流を発生している。その結果、給電コイル23には、PWM信号S3のハイ/ローに応じて正負が反転するような励磁電流が流れることになり、電磁誘導によって受電コイル31に励磁電流に応じた交流電流が流れることになる。したがって、受電装置30では、受電コイル31に発生する交流成分から、交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分をフィルタ回路32で減衰させることで、所望の周波数の交流電圧V2を得ることができ、非接触で電力の供給を受けることができる。よって、従来の受電装置のように受電コイル31の交流出力を一旦直流に変換した後に所望の周波数の交流電圧V2に変換する動作を行わなくて済むから、直流と交流の変換ロスが発生せず、システム全体として電力損失を低減できる。また、受電装置30に、受電コイル31の交流出力を一旦直流に変換した後に所望の周波数の交流電圧V2に変換する変換回路を備える必要が無いから、変換回路の分だけ受電装置30を小型にできるという利点もある。
また、本実施形態の給電装置20において、PWM信号S3を生成するPWM信号発生部241を備えてもよい。PWM信号発生部241は、受電装置30から負荷40に印加される交流電圧V2と周期が同じ正弦波信号S1の信号レベルと、正弦波信号S1よりも周波数が高い基準信号S2の信号レベルとの高低を比較することによって、PWM信号S3を生成する。これにより、PWM信号発生部241は、負荷40に印加される交流電圧V2の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号S3を生成することができる。このPWM信号S3に応じて励磁回路22が入力電圧をスイッチングすることによって、PWM信号S3のハイ/ローに応じて正負が反転するような励磁電流を給電コイル23に流すことができる。
本実施形態の受電装置30は受電コイル31とフィルタ回路32(フィルタ部)とを備えたことを特徴とする。受電コイル31は、給電装置20が備える給電コイル23に電磁的に結合されて、給電コイル23から電磁誘導により電力を受ける。フィルタ回路32は、電磁誘導により受電コイル31に発生する交流波形から、負荷40に印加する交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させている。
このように、フィルタ回路32が、受電コイル31に発生する交流波形から、交流電圧V2の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させることで、所望の周波数の交流電圧V2を負荷40に印加することができる。また、受電装置30は、従来例のように受電コイル31の交流出力を一旦直流に変換した後に所望の周波数の交流電圧に変換する動作を行っていないので、直流と交流の変換ロスが発生せず、システム全体として電力損失を低減できる。また、受電装置30はフィルタ回路32のみを備え、受電コイル31の交流出力を一旦直流に変換した後に所望の周波数の交流電圧V2に変換する変換回路を備えていないから、変換回路の分だけ受電装置30を小型にできるという利点もある。
本実施形態の受電装置30において、フィルタ回路32は、受電コイル31とコンデンサ321とを含むLCフィルタ回路でもよい。
LCフィルタ回路のインダクタを受電コイル31で兼用しているので、部品数を削減でき、全体として小型化を図ることができる。
また本実施形態の非接触給電システムは、上記した何れかの給電装置20と、上記した何れかの受電装置30とを備えることを特徴とし、システム全体として電力損失を低減した小型の非接触給電システムを実現できる。
10 非接触給電システム
20 給電装置(非接触給電装置)
21 整流平滑回路
22 励磁回路(励磁部)
23 給電コイル
241 PWM信号発生部
30 受電装置(非接触受電装置)
31 受電コイル
32 フィルタ回路(フィルタ部)
321 コンデンサ
40 負荷
S1 正弦波信号
S2 基準信号(三角波信号)
S3 PWM信号
V2 交流電圧

Claims (5)

  1. 非接触受電装置が備える受電コイルに電磁的に結合されて、前記受電コイルに電磁誘導により電力を供給する給電コイルと、
    前記非接触受電装置から負荷に印加される交流電圧の周期でデューティ比が増減を繰り返すようなPWM信号に応じて、入力電圧をスイッチングすることによって前記給電コイルに印加する励磁電流を発生する励磁部とを備えた
    ことを特徴とする非接触給電装置。
  2. 前記非接触受電装置から前記負荷に印加される交流電圧と周期が同じ正弦波信号の信号レベルと、前記正弦波信号の周波数よりも高周波の三角波信号の信号レベルとの高低を比較することによって、前記PWM信号を生成するPWM信号発生部を備えた
    ことを特徴とする請求項1記載の非接触給電装置。
  3. 非接触給電装置が備える給電コイルに電磁的に結合されて、前記給電コイルから電磁誘導により電力を受ける受電コイルと、
    電磁誘導により前記受電コイルに発生する交流波形から、負荷に印加される交流電圧の周波数よりも高周波の周波数成分を減衰させるフィルタ部とを備えた
    ことを特徴とする非接触受電装置。
  4. 前記フィルタ部は、前記受電コイルとコンデンサとを含むLCフィルタ回路である
    ことを特徴とする請求項3記載の非接触受電装置。
  5. 請求項1又は2の何れかに記載の非接触給電装置と、請求項3又は4の何れかに記載の非接触受電装置とを備えた
    ことを特徴とする非接触給電システム。
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