JP2016197931A - 無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の受電装置および送電装置 - Google Patents

無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の受電装置および送電装置 Download PDF

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Akihisa Matsushita
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Abstract

【課題】簡易な手段および制御によって、高調波を抑制できる無線電力伝送装置を提供する。【解決手段】非接触で配置された送電コイル12aと受電コイル20aを用いて電力を伝送する電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置2であって、送電コイル12aと非接触で配置され、送電コイル12aに発生した磁界により電力を発生する受電コイル20aと、高調波をカットするフィルタ20cと、受電コイル20aに発生した電力を整流する整流回路21と、整流回路21により整流された電力を充電するバッテリ23と、を有し、フィルタ20cは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。【選択図】図1

Description

本発明の実施形態は、無線で電力を伝送する無線電力伝送装置および無線電力伝送装置の受電装置および送電装置に関するものである。
無線電力伝送装置は、送電コイルと受電コイルとを非接触で使用し、無線により電力を伝送することができる。この無線電力伝送装置は、電極の露出がなく摩耗による性能劣化がないこと、水分の多い環境でも安全に伝送できることなど、多くの利便性を有する。そのため、近年では、ICカード、携帯電話、電動歯ブラシ、電気シェーバーなど多くの機器に採用されている。
特に、電気自動車(EV:Electric Vehicle)などに応用して、数kWオーダーの電力を伝送することで、コネクタを接続せずに充電できるシステムの実現を目指して、開発が行われている。
このような充電用の無線電力伝送装置においては、電力を伝送する側の送電コイルと充電する側の受電コイルとが、対向して配置される。送電コイルには、インバータによる高周波電源が接続され、高周波電力が送電コイルに入力される。送電コイルは、入力された高周波電力により高周波磁界を発生させる。発生した高周波磁界は受電側コイルに鎖交して、受電コイルに高周波の電圧を発生させる。
受電コイルで発生した高周波は、受電コイルに接続された受電回路により直流に変換され、バッテリの充電などに用いられる。このように、送電コイル及び受電コイルを介して、非接触で電力を伝送することが可能となる。
特開2009−106136号公報
上記のような無線電力伝送装置に用いられているインバータの出力波形は、矩形波電圧であり、正弦波ではない。したがって、インバータの出力には、電力伝送に必要となる基本波だけでなく、高調波成分も含まれている。特に、基本周波数に対して奇数倍の周波数である3次、5次、7次などの高調波電流が、送電側コイルに流れてしまう。すると、高周波の磁界が送電側コイル近傍に発生し、周辺の機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がある。
また、受電コイル側のバッテリの充電が進むと、バッテリの電圧が変化する。この場合、バッテリ充電回路において電圧比を調整するが、受電側の電圧値にあわせて、送電側から送る電力を変更する。従って、例えば受電側と送電側で通信を行って、必要電力量を決定する等の複雑な制御を行う必要が生じ、回路も複雑化する。また、通信を用いた場合、回線が切断されることが想定され、装置が不安定となることが考えられる。
本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、簡易な手段および制御によって、高調波を抑制できる無線電力伝送装置、無線電力伝送装置の受電装置および送電装置を提供することにある。
本発明の実施形態は、非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、送電コイルと非接触で配置され、前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する受電コイルと、高調波をカットするフィルタと、前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、前記フィルタは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。
第1の実施形態の構成図である。 第1の実施形態のフィルタの特性を示すグラフである。 従来の無線電力伝送装置の構成図である。 第1の実施形態の処理手順を示すフローチャートである。 第2の実施形態の構成図である。 第3の実施形態の構成図である。
[第1の実施形態]
[構成]
第1の実施形態を、図1を参照して説明する。本実施形態の無線電力伝送装置は、電源からの電力を無線で伝送する送電装置1と、送電装置1から伝送される電力により、バッテリへの充電等を行う受電装置2を有する。例えば、EVの場合、送電装置1は駐車スペース等に設置され、受電装置2は車体側に設置される。そして、駐車スペースの所定位置に車両が停車することにより、送電装置1に対して受電装置2が位置決めされる。
(送電装置)
送電装置1は、離隔配置された受電装置2に無線で電力を伝送する装置である。ここで、離隔配置とは、後述する送電コイル12aと受電コイル20aが非接触で電力を伝送可能な距離に接近した状態を意味し、筐体等の外装が接触しているか否かは問わない。
送電装置1は、直流電源10、インバータ11、送電用共振子12を有する。直流電源10は、直流電力の供給源である。インバータ11は、所定の周波数により電力を出力する回路である。つまり、インバータ11は、複数のスイッチング素子11aのオンオフを切り換えることにより、直流電源からの直流を交流に変換する。特に、本実施形態のインバータ11は、基本波として85kH程度の高周波電力を出力することができる。但し、周波数はこの値には限定されない。
インバータ11は、例えば、電圧形の単相交流用のインバータ回路である。その具体的な構成例は、図1に示すように、一対のスイッチング素子11aを直列に接続したものを1組のアームとして、2組のアームを並列に接続したHブリッジ回路である。スイッチング素子11aとしては、IGBTやMOSFET、GTOなどを用いることができる。
各スイッチング素子11aには、ダイオード11bが並列に接続されている。このダイオード11bは、各スイッチング素子11aのオンオフの切り換え時に印加電圧と逆方向の電流を流す還流ダイオードである。なお、インバータ11は、交流電力を出力するものであればよく、このような構成には限定されない。
送電用共振子12は、送電コイル12aとコンデンサ12bを有する共振子である。送電コイル12aは、インバータ11からの電力により磁界を発生させるコイルである。送電コイル12aは、この磁界により、後述する受電コイル20aに電力を発生させる。
送電コイル12aの両端は、それぞれコンデンサ12bを介して、インバータ11のアームにおける一対のスイッチング素子11aの間に接続されている。これらのコンデンサ12bは、送電コイル12aとの共振用に挿入される。
(受電装置)
受電装置2は、離隔配置された送電装置1から伝送された電力を受電する装置である。この受電装置2は、受電用共振子20、フィルタ20c、整流回路21、充電回路22、バッテリ23を有する。
受電用共振子20は、受電コイル20aとコンデンサ20bを有する共振子である。受電コイル20aは、非接触の送電コイル12aに発生した磁界により、電力を発生するコイルである。本実施形態では、受電コイル20aには高周波電流が発生する。受電コイル20aの両端は、それぞれコンデンサ20bを介して、後述する整流回路21に接続されている。コンデンサ20bは、受電コイル20aとの共振用に挿入される。
受電用共振子20は、フィルタ20cを介して整流回路21に接続されている。フィルタ20cは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。例えば、整流回路21以降の構成が負荷インピーダンスとした場合に、負荷インピーダンスに対して、フィルタ20cへの入力インピーダンスが反転する特性を有する。反転する特性とは、例えば負荷インピーダンスが増加傾向にあるとき、入力インピーダンスが減少傾向にある特性を意味する。従って、図2に示す通り、負荷インピーダンスの増加に伴い、入力インピーダンスが減少するフィルタを用いることができる。
また、フィルタ20cは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を整流回路21に流入させないようにすることが可能である。フィルタ20cは、例えば、コイルやリアクトルおよびコンデンサを含む回路により構成できる。
整流回路21は、受電用共振子20からの交流電力を、直流電力に変換する回路である。本実施形態では、整流回路21は、受電コイル20aに発生した高周波電流を直流に変換する。この整流回路21は、一対のダイオード21aを直列に接続したものを1組として、並列に2組接続した回路であり、各組の一対のダイオード21aの間に、受電用共振子20の両端がそれぞれ接続されている。なお、整流回路21に並列に挿入されたコンデンサ21bは、リプル抑制用の平滑コンデンサである。
充電回路22は、整流回路21とバッテリ23との間に接続され、整流回路21から入力される直流電流によるバッテリ23への充電を制御する回路である。なお、充電回路22は、バッテリ23への満充電を検知して、充電を停止する機能を有している。バッテリ23は、充電回路22に接続され、充電回路22からの充電電流により充電される2次電池である。
[作用]
以上のような構成を有する本実施形態の作用を、図3に示す従来例と比較して説明する。まず、図3に示す従来の直列共振を用いた無線電力伝送装置における、バッテリ充電時のインピーダンスの変化について説明する。直列共振を用いた無線電力伝送装置では、インバータ11が見る負荷インピーダンスは、コイルの位置ズレ等で決まる定数を負荷抵抗で除算することにより得られる。負荷抵抗は、整流回路21以降の構成を全て抵抗とみなした時の抵抗値である。
充電時において、バッテリ23の充電が進むと、低電圧大電流の状態から高電圧低電流の状態となる。よって、負荷抵抗は徐々に大きくなる。一方、インバータ11から見た負荷インピーダンスは負荷抵抗の逆数に比例する。そのため、負荷抵抗値が大きくなると、インバータ11から見た負荷インピーダンスは徐々に小さくなる。そのため、電圧を一定とすると、送電装置1側が供給する電力はどんどん増えていくことになる。
このような場合、送電装置1側において直流電圧を下げる必要があるが、インバータ11には直流電力安定化のためのバッファとなるコンデンサが設けられており、即座に直流電圧を下げることは難しい。よって、バッテリ23に設定した容量以上の電力が流れる可能性がある。これを防ぐためには、送電装置1と受電装置2間で通信を行い、充電回路22で負荷抵抗を一定値とするような制御を行う必要があり、回路や制御が複雑化していた。
一方、フィルタ20cを有する本実施形態の無線電力伝送装置の作用を、以下に説明する。本実施形態のフィルタ20cは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。従って、バッテリ23の充電が進み、負荷インピーダンスが徐々に大きくなった場合、フィルタ20cを介して見える入力インピーダンスは低下して見える。受電用共振子20でインピーダンスが反転するため、インバータ11から見ると、バッテリ23の充電に伴い、負荷インピーダンスが徐々に増加するように見える。すなわち、バッテリの充電が進むと、送電装置1側で自然と電力が低下していくことになる。
以上のような本実施形態では、図4に示すフローにてバッテリ23の充電が行われる。ここでは、送電装置1が3Kwの電力を送電するものとして説明する。まず所定の電力を充電する旨の運転指令が受電装置2側から出力される(ステップS01)。すると、送電装置1の直流電源10が直流電圧を上昇させ、送電を開始する(ステップS02、03)。送電装置1の電力が3kw未満の場合(ステップS04のNo)、ステップS02に戻り直流電圧を上昇させる。送電装置1の電力が3Kwに到達した場合(ステップS04のYES)、それ以上直流電圧を上昇させることなく、バッテリ23の充電を続ける。
以上のような送電装置1からの送電は、送電用共振子12及び受電用共振子20、およびフィルタ20cを介して伝送され、整流回路21により直流に変換された電力により、充電回路22がバッテリ23への充電が行われる。本実施形態では、フィルタ20cが設けられているため、インバータ11からフィルタ20cを介して見た負荷インピーダンスは、バッテリの充電に伴い徐々に増加する。そのため、送電装置1側で電力が増加する現象が生じず、指定値である3Kwを超えて電力を送電することはない。そして、充電回路22がバッテリ23の満充電を検知しない場合(ステップ05のNO)、充電を続ける。充電回路22がバッテリ23の満充電を検知すると(ステップ05のYES)、充電を停止する(ステップ06)。
[効果]
以上のような本実施形態によれば、高調波をカットするフィルタ20cにより高調波を抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、フィルタ20cは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有する。従って、バッテリ23の充電が進んでも、インバータ11から見る負荷インピーダンスが大きくなるため、送電装置1側で自然と電力が低下していくこととなる。よって、この電力を確認しながら、送電装置1側の出力電圧を上げることにより、所定の電力を受電側へ送電することが可能となる。すなわち、送電装置1側で電力の制御を行うことが可能となるため、回路および制御を簡易化することができる。
[第2の実施形態]
[構成]
次に、第2の実施形態を、図5を参照して説明する。図5は本実施形態の構成図である。本実施形態は、基本的には上記の第1の実施形態と同様の構成である。ただし、本実施形態は、受電装置2側ではなく、送電装置1側にフィルタ12cが設けられている。具体的には、インバータ11は、フィルタ12cを介して送電用共振子12に接続されている。
フィルタ12cは、フィルタ12cの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有する。フィルタ12cの出力側が短絡された時とは、受電装置2側のケーブルに切断が生じた場合、バッテリ23内部のスイッチが保護動作により開放となった場合、受電装置2が検出できない場合などがある。このような状態が生じた場合、インバータ11から見ると短絡に見える。
以上のようにフィルタ12cの出力側が短絡されたような状態となる時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有している。負荷インピーダンスの最小値とは、バッテリ23が空の場合の負荷インピーダンスや、送電装置1と受電装置2の位置ズレが大きく送電装置1が受電装置2を検出できない場合の負荷インピーダンス等の中から、インバータ11の素子などの特性を考慮の上、最も小さい値を用いれば良い。すなわち、フィルタ12cとしては、短絡が発生した場合に受電装置2側で想定されるインピーダンスの最小値以上の特性を有するフィルタを用いることができる。
また、フィルタ12cは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を送電用共振子12に流入させないようにすることが可能である。フィルタ12cは、例えば、コイルやリアクトルおよびコンデンサを含む回路により構成できる。
[作用効果]
以上のような本実施形態は、高調波をカットするフィルタ12cにより高調波を抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、フィルタ12cは、フィルタ12cの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有する。従って、受電装置2側が存在しないような事態が生じても、インバータ11から見たインピーダンスが過小となることがなく、インバータ11の破壊を防止することが可能となる。
[第3の実施形態]
[構成]
次に、第3の実施形態を、図6を参照して説明する。図6は本実施形態の構成図である。本実施形態は、基本的には、上記の第1の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、受電装置2において、受電用共振子20は、3次のローパスフィルタ20dを介して整流回路21に接続されている。
ローパスフィルタ20dは、例えば、一対のリアクトルLを直列に接続したものが、受電コイル20aの両端に接続されたコンデンサ20bにそれぞれ接続され、一対のリアクトルLの間であり、整流回路21に並列に接続されるコンデンサCを有する。なお、このようなローパスフィルタ20dは多段に設けることもできる。コンデンサCとしては、セラミックコンデンサを用いることができる。セラミックコンデンサは、一般的な故障形態が短絡モードである。また、ローパスフィルタ20dは、高調波をカットするフィルタであり、高調波を整流回路21に流入させないようにすることが可能である。
[作用効果]
以上のような本実施形態は、高調波をカットするローパスフィルタ20dにより高調波が抑制して電力を送電することが可能となるため、周辺機器が誤動作を起こすなど、外部に影響を与える可能性がない。また、ローパスフィルタ20dは、故障形態が短絡モードであるセラミックコンデンサが用いられている。上述の通り、インバータ11から見た負荷インピーダンスは、負荷抵抗の逆数に比例する。そのため、例えば、受電装置2側で断線が起きる等の故障が生じた場合、負荷抵抗が無限大となるため、インバータ11から見たインピーダンスは0となる。このため、インバータ11の保護動作を短絡とすることで、インバータ11を遮断することができる。セラミックコンデンサは短絡モードで故障するため、セラミックコンデンサの故障時においては、インバータ11から見て開放となる。従って、インバータ11の破壊が防止され、システムの安定性が向上する。
[他の実施形態]
上記第1の実施形態と第2の実施形態、または第2の実施形態と第3の実施形態は組み合わせることができる。上記の送電装置1および受電装置2を組み合わせることで、送電側および受電側のそれぞれで高調波をカットすることが可能となり、また組み合わせた実施形態の作用効果を得ることが出来る。
上記の実施形態における電力の伝送のための構成は、高周波の電力を高効率で伝送するための電磁界結合又は磁気共鳴と呼ばれる伝送方式によるものの一例である。但し、本実施形態は、一般的に電磁誘導と呼ばれる伝送方式を広く含むものである。従って、非接触の送電コイル及び受電コイルにより電力を伝送できる構成であれば、公知のあらゆる装置を適用可能である。
実施形態に用いられる情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。実施形態において、情報が示す値に対する過不足、大小判断、一致不一致の判断等において、以上、以下、として値を含めるように判断するか、より大きい、より小さい、超える、超えない、上回る、下回る、足りない、未満として値を含めないように判断するかも自由である。従って、「より大きい」を「以上」に、「以下」を「未満」に読み替えても、実質的には同じである。
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
1…送電装置
2…受電装置
10…直流電源
11…インバータ
11a…スイッチング素子
11b…ダイオード
12…送電用共振子
12a…送電コイル
12b…コンデンサ
12c…フィルタ
20…受電用共振子
20a…受電コイル
20b…コンデンサ
20c…フィルタ
20d…ローパスフィルタ
21…整流回路
21a…ダイオード
21b…コンデンサ
22…充電回路
23…バッテリ

Claims (4)

  1. 非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、
    前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する前記受電コイルと、
    高調波をカットするフィルタと、
    前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、
    前記フィルタは、負荷インピーダンスに対して、入力インピーダンスが反転する特性を有することを特徴とする無線電力伝送装置の受電装置。
  2. 非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の送電装置であって、
    所定の周波数の電力を出力するインバータと、
    高調波をカットするフィルタと、
    前記インバータからの電力で発生した磁界により、前記受電コイルに電力を発生させる前記送電コイルと、を有し、
    前記フィルタは、前記フィルタの出力側が短絡された時のインピーダンスが、負荷インピーダンスの最小値以上となる特性を有することを特徴とする無線電力伝送装置の送電装置。
  3. 非接触で配置された送電コイルと受電コイルを用いて電力を伝送する無線電力伝送装置の受電装置であって、
    前記送電コイルに発生した磁界により電力を発生する受電コイルと、
    高調波をカットするフィルタと、
    前記受電コイルに発生した電力を整流する整流回路と、
    前記整流回路により整流された電力を充電するバッテリと、を有し、
    前記フィルタは、セラミックコンデンサを含むことを特徴とする無線電力伝送装置の受電装置。
  4. 請求項1に記載の受電装置と請求項2に記載の送電装置、または請求項2に記載の送電装置と請求項3に記載の受電装置を備える無線電力伝送装置。

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