JP2016067122A - Non-contact power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電装置に具備された送電コイルと受電装置に具備された受電コイルを介して、非接触(ワイヤレス)で電力の伝送を行う非接触電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission device that performs non-contact (wireless) power transmission via a power transmission coil provided in a power transmission device and a power reception coil provided in the power reception device.
非接触で電力を伝送する方法として、電磁誘導(数100kHz)による電磁誘導型、電界または磁界共鳴を介したLC共振間伝送による電界・磁界共鳴型、電波(数GHz)によるマイクロ波送電型、あるいは可視光領域の電磁波(光)によるレーザ送電型が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導型である。これは簡易な回路(トランス方式)で実現可能であるなどの優位性はあるが、送電距離が短いという課題もある。 As a method of transmitting power in a non-contact manner, an electromagnetic induction type by electromagnetic induction (several hundreds of kHz), an electric field / magnetic field resonance type by transmission between LC resonances via electric field or magnetic field resonance, a microwave power transmission type by radio waves (several GHz), Alternatively, a laser power transmission type using electromagnetic waves (light) in the visible light region is known. Among them, the electromagnetic induction type has already been put into practical use. This has the advantage that it can be realized with a simple circuit (transformer system), but there is also a problem that the transmission distance is short.
そこで、最近になって近距離伝送(〜2m)が可能な電界・磁界共鳴型の電力伝送が注目を浴びてきた。このうち、電界共鳴型の場合、伝送経路中に手などを入れると、人体が誘電体であるため、エネルギーを熱として吸収して誘電体損失を生じる。これに対して磁界共鳴型の場合、人体がエネルギーをほとんど吸収せず、誘電体損失を避けられる。この点から磁界共鳴型に対する注目度が上昇してきている。 Therefore, recently, electric field / magnetic field resonance type power transmission capable of short-distance transmission (up to 2 m) has attracted attention. Among these, in the case of the electric field resonance type, when a hand or the like is put in the transmission path, the human body is a dielectric, so that energy is absorbed as heat and dielectric loss occurs. On the other hand, in the case of the magnetic resonance type, the human body hardly absorbs energy, and dielectric loss can be avoided. From this point of view, attention to the magnetic resonance type has been increasing.
一般的に、磁界共鳴型の非接触電力伝送装置は、送電装置と受電装置を備える。送電装置は少なくとも送電コイルと共振容量で構成される送電共振系と、送電共振器に電力を供給する送電部を有する。受電装置は少なくとも受電コイルと共振容量で構成される受電共振系を有する。磁界共鳴型の非接触電力伝送装置は、送電共振系と受電共振系が磁界的に共鳴することを利用して、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する。 Generally, a magnetic resonance type non-contact power transmission device includes a power transmission device and a power reception device. The power transmission device includes a power transmission resonance system including at least a power transmission coil and a resonance capacitor, and a power transmission unit that supplies power to the power transmission resonator. The power receiving apparatus has a power receiving resonance system including at least a power receiving coil and a resonance capacitor. The magnetic resonance type non-contact power transmission device transmits power from the power transmission device to the power reception device in a non-contact manner by utilizing the magnetic resonance between the power transmission resonance system and the power reception resonance system.
このような非接触電力伝送装置において、負荷インピーダンスが高い(軽負荷)状態で送電電圧を立ち上げると、送電装置内に過大な電流が発生し、送電素子が破壊されるという問題がある。この問題に対処するためには、送電装置に実際の電力伝送状態より高い電流値に耐えるデバイスを用いる必要があり、装置のコストが高くなる問題がある。 In such a non-contact power transmission device, when the transmission voltage is raised in a state where the load impedance is high (light load), there is a problem that an excessive current is generated in the power transmission device and the power transmission element is destroyed. In order to cope with this problem, it is necessary to use a device that can withstand a higher current value than the actual power transmission state for the power transmission device, which increases the cost of the device.
特許文献1には、非接触電力伝送装置において、受電装置側にインピーダンス調整部を設けて、受電装置の入力インピーダンスを適宜調整することにより、送電側装置内に過大な電流が発生することを防止する構成が開示されている。
In
非接触電力伝送装置において、負荷で要求される電力の大小によって負荷変動が生じた場合、共振系の共振状態を変化させてしまう。共振系のQ値が負荷変動によって変化してしまうからである。 In the non-contact power transmission device, when a load change occurs due to the magnitude of power required by the load, the resonance state of the resonance system is changed. This is because the Q value of the resonance system changes due to load fluctuation.
一般的に負荷変動によって軽負荷になると共振系のQ値が高くなってしまうので、負荷変動が生じた場合、一定の駆動電圧と一定の駆動波形で送電系を駆動していると、共振系の共振電圧が異常に上昇してしまう。従来技術の課題であった、負荷インピーダンスが高い(軽負荷)状態で送電電圧を立ち上げた場合と同様に、負荷変動が生じた場合でも、共振電圧が共振回路を構成するコンデンサの耐圧を超えてしまい、コンデンサが破損してしまうという問題があった。 In general, the Q value of the resonance system becomes high when the load is light due to load fluctuations. Therefore, when the load fluctuation occurs, if the power transmission system is driven with a constant drive voltage and a constant drive waveform, the resonance system The resonance voltage will rise abnormally. Similar to the case where the transmission voltage is raised in a state where the load impedance is high (light load), which was a problem of the prior art, even when a load change occurs, the resonance voltage exceeds the breakdown voltage of the capacitor constituting the resonance circuit. As a result, the capacitor is damaged.
特許文献1に示されている従来の技術では、可変な入力インピーダンスを実現するための複雑な構成が必須で、送電装置と受電装置の間で通信を必要とする場合もあり、従来に比べて構成が複雑になるといった問題があった。
In the conventional technique shown in
本発明は、送電装置と受電装置の間で通信を行うことなく、比較的簡易な構成で上記の負荷変動に対応でき、共振回路を構成するコンデンサの破損を防止できる技術を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a technique capable of dealing with the above-described load fluctuation with a relatively simple configuration without performing communication between a power transmission device and a power reception device, and preventing damage to a capacitor constituting a resonance circuit. And
本発明の非接触電力伝送装置は、送電コイル及び送電容量により構成された送電共振系を有する送電装置と、受電コイル及び受電容量により構成された受電共振系を有する受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、前記送電装置は、更に、送電共振系に供給する電力量を制御する駆動制御回路を備え、前記受電装置は、更に、前記受電装置から電力を出力する出力部と、前記受電共振系が受電した交流電力を検波する検波手段と、前記検波手段と前記出力部の間に配置されたカットオフ回路と、前記カットオフ回路を制御する受電側制御手段を備え、前記受電側制御手段は、前記検波手段の出力電圧が所定の値を超えた時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオフにし、前記検波手段の出力電圧が所定の値を下回った時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオンにし、前記駆動制御回路は、前記送電共振系の共振電圧を検出し、該検出された共振電圧に基づいて、送電共振系に供給する電力量を調節することを特徴とする。 The non-contact power transmission device of the present invention includes a power transmission device having a power transmission resonance system configured by a power transmission coil and a power transmission capacity, and a power reception device having a power reception resonance system configured by a power reception coil and a power reception capacity, In a non-contact power transmission device that transmits power from a device to the power receiving device in a contactless manner, the power transmission device further includes a drive control circuit that controls an amount of power supplied to a power transmission resonance system, and the power receiving device further includes: An output unit that outputs electric power from the power receiving device; a detection unit that detects AC power received by the power reception resonance system; a cutoff circuit disposed between the detection unit and the output unit; and the cutoff unit Power receiving side control means for controlling the circuit, wherein the power receiving side control means outputs the output from the detection means in the cutoff circuit when an output voltage of the detection means exceeds a predetermined value. When the output voltage of the detection means falls below a predetermined value, the cut-off circuit turns on the power supply from the detection means to the output unit, and the drive control circuit The resonance voltage of the power transmission resonance system is detected, and the amount of power supplied to the power transmission resonance system is adjusted based on the detected resonance voltage.
本発明では、受電装置側が必要とされる電圧を監視し、受電電力の増減と負荷の増減に応じて受電電圧が乱高下しないように制御する。また、送電装置側は送電電圧の増減を監視し、負荷変動に対して適切な電力を供給する。 In the present invention, the voltage required on the power receiving apparatus side is monitored, and control is performed so that the received voltage does not fluctuate in accordance with increase or decrease in received power and increase or decrease in load. In addition, the power transmission apparatus side monitors the increase and decrease of the transmission voltage, and supplies appropriate power for load fluctuations.
この結果、負荷変動による共振回路のコンデンサの破損を防止できる。また、送受電共振系への異物の混入や送電共振系と受電共振系との距離変化等、または受電側に接続された負荷の変動に対応可能な非接触電力伝送装置を提供することができる。 As a result, damage to the capacitor of the resonance circuit due to load fluctuation can be prevented. In addition, it is possible to provide a non-contact power transmission device that can cope with foreign matter mixed into the power transmission / reception resonance system, a change in the distance between the power transmission resonance system and the power reception resonance system, or a change in the load connected to the power reception side. .
<実施の形態1>
図1は、本発明における実施の形態1の非接触電力伝送装置100の概略構成を示す。非接触電力伝送装置100は、送電装置10と受電装置20により構成される。送電装置10は、高周波電力を非接触伝送するための送電共振系50を備える。受電装置20は、送電装置10の送電共振系50が送電する高周波電力を受電するための受電共振系60を備える。本発明の非接触電力伝送装置100は、送電共振系50と受電共振系60を磁気的に結合させて、送電装置10から受電装置20に非接触で電力を伝送する。
<
FIG. 1 shows a schematic configuration of a non-contact
送電装置10は、更に、送電共振系50を駆動する駆動回路30と、送電共振系50の共振電圧を検出して駆動回路30の駆動電力を制御する駆動制御回路40を備える。
The
受電装置20は、更に、受電共振系60の出力を検波する検波手段71、検波手段71の出力電力を受電装置20から出力するか否かをオン/オフするカットオフ回路72、受電電力が不足する場合は電力を補充する電力補充手段73、電力を加算する加算器74、カットオフ回路72を制御する受電側制御手段80、電力を出力する出力部90を備える。
The
出力部90には不図示の負荷が接続される。負荷が軽く出力部90からの出力電力がさほど必要でない場合は、送電装置からの供給電力より受電装置の消費電力が小さくなり、受電電圧が上昇してしまう。その場合、受電側制御手段80は、カットオフ回路72で検波手段71の出力電力を遮断して、負荷90側の電圧の上昇を回避する。一方、負荷が重く出力部90からの出力電力が不足している場合は、受電側制御手段80は、電力補充手段73により電力を補充する制御を行う。
A load (not shown) is connected to the
前記公知文献に開示の従来技術のように、送電装置10と受電装置20に別途通信手段を設け、受電装置20に接続された負荷が小さくなった情報を受電装置20が送電装置10に送信し、その情報を受信した送電装置10は駆動回路の電力を低下させるように制御しても負荷変動に対応できる。
As in the prior art disclosed in the publicly known document, the
これに対し、本発明の非接触電力伝送装置では、負荷変動に対して、まずは受電共振系の挙動を制御する。これにより、受電装置側で負荷変動による変化を吸収する。同時に送電装置側では受電側と独立して送電電力を調節する。すなわち、非接触電力伝送装置では、負荷変動に対応するにあたって、送電装置10と受電装置20に別途通信手段を設ける必要がない。以下、負荷変動に対して受電共振系を制御する手段について説明する。
(受電共振系の電圧監視に基づく電力制御)
図1の送電共振系50と受電共振系60からなる送受電共振系は、送電共振系50と受電共振系60の相対的な位置関係に依存して結合係数が変動した場合や、負荷が変動すると、送電共振系50と受電共振系60の共振電圧や共振周波数が変動する。
On the other hand, in the non-contact power transmission apparatus of the present invention, first, the behavior of the power receiving resonance system is controlled with respect to the load fluctuation. Thereby, the change by load fluctuation is absorbed in the power receiving apparatus side. At the same time, the power transmission device adjusts the transmission power independently of the power receiving side. That is, in the non-contact power transmission device, it is not necessary to separately provide communication means in the
(Power control based on voltage monitoring of the power receiving resonance system)
The power transmission / reception resonance system including the power
図1において、例えば、電気機器等の消費電力が低下した場合には負荷が軽くなる。出力部90に接続される負荷が軽くなると、受電共振系60の負荷が減少するので、受電共振系の共振電圧が上昇し、検波手段71の出力電圧が上昇しようとする。
In FIG. 1, for example, when the power consumption of an electrical device or the like is reduced, the load is reduced. When the load connected to the
受電側制御手段80は、出力部90の電圧を監視する。受電側制御手段80は、出力部90の電圧が所定の値を超えること検知すると、カットオフ回路72をオフして検波手段71から出力部90への電力の供給を切断する。これにより、検波手段71から出力される電力により引き起こされる出力部90の電圧の上昇を抑制できる。
The power receiving
受電側制御手段80は、出力部90の電圧が再び所定の値以下となったことを検知すると、カットオフ回路72をオンして検波手段71の出力を出力部90に供給する。
When the power receiving side control means 80 detects that the voltage of the
ただし、検波手段71の出力を切断すると、送受電共振系から外部に出力される電力が減少し、送受電共振系に電力が蓄積されてしまう。すなわち、送電共振系50の共振電圧も上昇する。
However, if the output of the detection means 71 is cut, the power output from the power transmission / reception resonance system to the outside decreases, and the power is accumulated in the power transmission / reception resonance system. That is, the resonance voltage of the power
そこで、駆動制御回路40は送電共振系50の共振電圧を検出し、駆動回路30からの出力電力を低下させる。その結果、送電共振系50と受電共振系60の共振電圧の上昇を抑えることができ、出力部90の負荷の減少に対応するとともに、送電共振系50と受電共振系60のコンデンサの破損も防止できる。
Therefore, the
図2A〜図2Cに、カットオフ回路72と受電側制御手段80の回路図を示す。受電装置20には、カットオフ回路72と受電側制御手段80以外にも構成要素がある。但し、図2A〜図2Cでは、カットオフ回路72と受電側制御手段80の説明を簡単にするために、受電装置20におけるカットオフ回路72と受電側制御手段80以外の構成要素を省略した。
2A to 2C are circuit diagrams of the cut-
図2Aにカットオフ回路72と受電側制御手段80の第1の回路図を示す。図2Aの第1の回路では、受電側制御手段80がコンパレータ801で構成されるため、別途DC電力がコンパレータ801に供給される。コンパレータ801への電力は、検波手段71の出力電力を所定の電圧に変換して供給しても良いし、別途電源を用意してもよい。図1に示したように、カットオフ回路72には検波手段71から電力が入力される。
FIG. 2A shows a first circuit diagram of the
図2Aにおいて負荷が軽くなり、A点の電圧が上昇して抵抗分圧したB点がコンパレータ801の基準電圧を超えると、コンパレータ801の出力がHighからLowになる。その結果トランジスタ721がオフとなり、FET723もオフとなる。
In FIG. 2A, when the load becomes lighter and the voltage at point A rises and the point B divided by resistance exceeds the reference voltage of the
その後、A点の電圧が下がり、B点の電圧が、ヒステリシスを持ったコンパレータ801の基準電圧を下回ると、コンパレータ801の出力がLowからHighになり、FET723がオンとなるので、出力部90への電力の供給が再開される。
Thereafter, when the voltage at the point A decreases and the voltage at the point B falls below the reference voltage of the
図2Bはカットオフ回路72と受電側制御手段80の第2の回路図を示す。図2Bの第2の回路は図2Aの第1の回路に比べて簡略化されている。
FIG. 2B shows a second circuit diagram of the
図2Bにおいては、B点の電圧が上がるとトランジスタ802がオンになり、トランジスタ722もオンとなるので、FET723がオフとなる。ただし、この場合、トランジスタ802のスイッチ速度にも依存するが、一般に、図2Aの場合よりもかなり応答が遅く、トランジスタ802がオフからオンになる際にFET723がかなり発熱してしまう。
In FIG. 2B, when the voltage at the point B increases, the
図2Cはカットオフ回路72と受電側制御手段80の第3の回路図を示す。受電側制御手段80をカレントスイッチで構成することにより、図2Bの課題である応答速度を向上することができる。
FIG. 2C shows a third circuit diagram of the
次に、図1に示した出力部90に接続される負荷が重くなる場合について説明する。例えば、出力部90に接続された電気機器等の消費電力が増加した場合、負荷が重くなる。出力部90に接続される負荷が重くなると、出力部90の電圧が基準より低下する。
Next, the case where the load connected to the
そこで、受電側制御手段80は、出力部90の電圧が基準より低下したことを検出すると、電力補充手段73の手段により加算器74を通じて電力を供給する。これにより、出力電圧の低下を防止でき、安定した電力供給が可能となる。
Therefore, when the power receiving
この負荷が重くなった場合の出力部90の出力電圧の低下は、送受電系の電力供給の挙動から必ず発生する。先ず、負荷が増加すると検波手段71を通じて受電共振系60から出力される電力が増大する。その増大する電力は送電共振系50が作る共振している磁界からエネルギーを受け取って負荷に供給することにより賄われる。
The decrease in the output voltage of the
すなわち、駆動回路30から出力される電力は、負荷を含めた送受電系のインピーダンスに応じて検波手段71から出力される。ここで、送電共振系50と受電共振系60は送受電共振系を構成しているが、電力はこの送受電共振系という時定数を持ったフィルタを経由して送電装置10から受電装置20へ伝送される。そのため、負荷に要求される電力が変化した場合、その変化に追従するまでに所定の時間が必要となってしまう。本発明の電力補充手段73は、この一時的な電圧の低下を補償する。
That is, the power output from the
なお、コンデンサ等で構成している電力補充手段73は、負荷が軽い場合は充電しておき、負荷が重くなった場合は放電することにより負荷変動を調整する。
<実施の形態2>
図3は、本発明における実施の形態2の非接触電力伝送装置101の概略構成を示す。図1に示した実施の形態1と比べると、受電装置21が異なっている。以下、受電装置21について詳しく説明する。
The power replenishing means 73 constituted by a capacitor or the like is charged when the load is light, and is adjusted by discharging when the load is heavy.
<Embodiment 2>
FIG. 3 shows a schematic configuration of the non-contact
受電共振系60で受電された電力は、両波整流器711で直流電力に変換したのち、出力部90に接続された不図示の負荷等に給電される。過小電圧検出器812は、出力部90の負荷が重くなり伝送電力だけでは電力が不足すると判断すると、スイッチ734を導通状態にして、蓄電手段732に蓄えられた電力を出力部90に供給する。
The power received by the power receiving
一方、出力部90からの電力出力が減少した場合、すなわち、出力部90からの電力供給が過剰になる場合、余った電力がダイオード731を介して蓄電手段732に蓄えられる。
On the other hand, when the power output from the
但し、出力部90からの電力供給が過剰になる場合であって、かつ、蓄電手段732が満充電の場合には、出力部90の電圧が上昇しようとする。この時、過剰電圧検出器811は、出力部90の電圧の上昇を検出し、スイッチ712を開放する。これにより両波整流器711から出力される電力が出力部90に供給されなくなり、出力部90の異常な電圧上昇を防止できる。
However, when the power supply from the
スイッチ712が開放され、両波整流器711からの出力が消費されない場合は、送受電共振系に電力が蓄積されてしまう。すなわち、送電共振系50の共振電圧も上昇する。
When the
そこで、駆動制御回路40は送電共振系50の共振電圧を検出し、共振電圧が所定の値を超えている場合は、駆動回路30からの出力電力を低下させる。その結果、送電共振系50と受電共振系60の共振電圧の上昇を抑えることができ、出力部90の負荷の減少に対応するとともに、コンデンサの破損も防止できる。
Therefore, the
本発明の非接触電力伝送装置は、負荷の変動に応じて伝送する電力量を調整しつつ、電力伝送回路の破損を防止できる。 The non-contact power transmission device of the present invention can prevent the power transmission circuit from being damaged while adjusting the amount of power to be transmitted according to the load variation.
10 送電装置
20、21 受電装置
30 駆動回路
40 駆動制御回路
50 送電共振系
60 受電共振系
71 検波手段
711 両波整流器
712 スイッチ
72 カットオフ回路
721、722 トランジスタ
723 FET
73 電力補充手段
731 ダイオード
732 蓄電手段
734 スイッチ
74 加算器
80 受電側制御手段
801 コンパレータ
802 トランジスタ
811 過剰電圧検出器
812 過小電圧検出器
90 出力部
100、101 非接触電力伝送装置
DESCRIPTION OF
73 Power supplement means 731
Claims (2)
受電コイル及び受電容量により構成された受電共振系を有する受電装置とを備え、
前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送装置において、
前記送電装置は、更に、送電共振系に供給する電力量を制御する駆動制御回路を備え、
前記受電装置は、更に、
前記受電装置から電力を出力する出力部と、
前記受電共振系が受電した交流電力を検波する検波手段と、
前記検波手段と前記出力部の間に配置されたカットオフ回路と、
前記カットオフ回路を制御する受電側制御手段を備え、
前記受電側制御手段は、前記検波手段の出力電圧が所定の値を超えた時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオフにし、前記検波手段の出力電圧が所定の値を下回った時に前記カットオフ回路にて前記検波手段から前記出力部への電力の供給をオンにし、
前記駆動制御回路は、前記送電共振系の共振電圧を検出し、該検出された共振電圧に基づいて、送電共振系に供給する電力量を調節することを特徴とする非接触電力伝送装置。 A power transmission device having a power transmission resonance system composed of a power transmission coil and a power transmission capacity;
A power receiving device having a power receiving resonance system constituted by a power receiving coil and a power receiving capacity;
In a non-contact power transmission device that transmits power in a non-contact manner from the power transmission device to the power reception device,
The power transmission device further includes a drive control circuit that controls the amount of power supplied to the power transmission resonance system,
The power receiving device further includes:
An output unit for outputting power from the power receiving device;
Detection means for detecting AC power received by the power receiving resonance system;
A cutoff circuit disposed between the detection means and the output unit;
Power receiving side control means for controlling the cut-off circuit,
The power receiving side control means turns off the supply of power from the detection means to the output unit in the cut-off circuit when the output voltage of the detection means exceeds a predetermined value, and the output voltage of the detection means Turn on the power supply from the detection means to the output unit in the cut-off circuit when below a predetermined value,
The drive control circuit detects a resonance voltage of the power transmission resonance system, and adjusts an amount of power supplied to the power transmission resonance system based on the detected resonance voltage.
前記カットオフ回路によるオン/オフにより、カットオフ回路の出力電力に一時的な電力の低下が生じた場合に、前記電力補充手段が前記カットオフ回路の出力電力を補充することを特徴とする請求項1に記載の非接触電力伝送装置。 The power receiving device includes power supplement means,
The power replenishing means replenishes the output power of the cut-off circuit when a temporary decrease in the output power of the cut-off circuit occurs due to on / off by the cut-off circuit. Item 2. The non-contact power transmission device according to Item 1.
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