JP2017158260A - 共振型無線給電システムの受電回路 - Google Patents

Abstract

【課題】無線給電システムの受電回路において、比較的広い領域において受電を効率良く行い且つ回路構成を簡易にする。【解決手段】共振型無線給電システムの受電回路２０において、コイル２３、コンデンサー２４及び２５で構成する共振回路と、コンデンサー２５とＳＷ２２で構成する電力受取条件設定部と、電力受取条件設定部の回路素子を切り替えて共振周波数を変化させる制御部と、受電回路の受電電圧である点Ａと点Ｂ間の電圧を測定する受取電力確認部とを備える。制御部は受取電力確認部で測定した電圧に基づいて電力受取条件設定部切替えて共振周波数を変化させ、受電量を変化させる。【選択図】図２

Description

本発明は、共振型無線給電システムにおける受電回路の受電電力制御に関するものである。

電気自動車などの移動体へ非接触で電力を供給したいという需要がある。これは、充電の度に物理的な電力供給ケーブルを移動体に接続する手間を省きたいということと、移動路に充電設備を複数設ければ移動体が移動路で停止する際にも充電ができることより、有用と認識されているである。

移動体の持つ蓄電池の状態に応じて充電の制御を行う技術については、先行技術文献のようなものが既に存在している。

特開２０１３−００５５２７号公報

先行技術文献にある従来の技術において、無線給電の可能な場所はスポットで存在し、それ以外の場所では給電ができないという前提となっている。そのため、無線給電システムの受電側回路（前述の例では移動体側）は最も効率良く受電できる条件を考慮して回路や制御が設計される。

しかしながら、１つの無線給電システムに複数の移動体が同時に受電可能となるよう（大きな送電装置に多数の移動体、或いは通常の送電装置に多数の小型移動体）にすると、種々の問題が生じる。

（領域内受電格差問題）
従来技術の特定スポットでの受電と比較してより広い領域で受電可能とするため、受電可能領域に於ける受電量の大小比率が拡がり、受電量が大きい領域に合わせて受電回路を設定すると受電量の小さい領域では効率良く受電できず、受電量の小さい領域に合わせて受電回路を設定すると受電量の大きい領域では受電が過剰になり耐圧や放熱を考慮する必要が生じ、コスト上昇やサイズの巨大化が避けられない。
また、受電が過剰である場合の対策として、本願の図１の回路のように共振回路上にスイッチを設けて受電量が過剰である場合にこのスイッチを開いて受電しないように制御する方法もあるが、機械スイッチの場合は切断した後に再び接続する手段が必要になること、メカニカルリレーを使った場合は大きさや開閉に必要な十分な電力の準備や寿命などが問題になること、トランジスタやソリッドステートリレーなどの半導体素子を使った場合は素子が持つ抵抗値によって共振回路のＱ値が大幅に下がり効率が落ちてしまい且つ抵抗分による発熱の問題がある。

（部品バラツキ問題）
また、受電回路を構成する部品は無線給電周波数（＝共振周波数）に合せて選択されるが、コストを考慮するとバラツキを許容せざるを得ない。しかし、バラツキによって受電回路側の共振周波数が無線給電周波数とずれてしまうと本来想定されている受電量を下回ってしまうので、バラツキ分を見越して送信側の無線給電出力を上昇することを検討しなくてはならないが、バラツキの少ない受電回路では過剰な受電状態となってしまい、前述の問題と同じように耐圧や放熱を考慮しなくてはならなくなる。

このように、広い領域で無線給電を行う場合、受電側の回路には広いダイナミックレンジの受電量を前提とする必要があり、これが使いやすい無線給電システムの障害となっていた。

そこで本願発明者はこれらの問題を解決すべく、本発明を成した。

本発明の無線給電システムの受電回路は、
「送電側から無線によって送電された電力を受け取る電力受取部と、
前記電力受取部が受け取った電力を確認する受取電力確認部と、
前記電力受取部が電力を受け取る際の条件を設定可能な電力受取条件設定部と、
前記受取電力確認部が確認した受け取った電力の情報に基づいて、前記電力受取条件設定部の電力受取条件を設定し、受け取った電力を負荷へ供給するように制御する制御部と、
を具備し、
前記制御部は、前記受取電力確認部が確認する受取電力が負荷の要求する電力より大きい場合には、前記電力受取条件設定部へ前記電力受取条件を変更して、電力受取部が受け取る電力が少なくなるよう指示する」
ことを特徴としている。

これにより、上述の「領域内受電格差問題」や「部品バラツキ問題」を克服して、低コストで安定した受電回路を実現できる。

従来技術の受電回路図である。 本件発明の受電回路図である。 本件発明の異なる受電回路図である。

以降、本発明を説明するにあたり、移動体としては掌サイズのものを想定し、特定の無線給電領域に複数の移動体を存在させて同時に無線給電する状況を前提とする。

図１は、従来の技術の受電回路１０を示している。
コイル１３とコンデンサー１４とで直列共振回路を構成する。
ＳＷ１２はこの共振回路の機能をＯｎもしくはＯｆｆするためのものである。Ｏｆｆにした場合は共振回路が切断されるので受電回路としては機能を停止する。
受電した電力は共振回路から抽出されるので交流である。これを全波整流し、平滑コンデンサーで安定させ、直流負荷へと供給する。

（図示しない）制御部はＳＷ１２をＯｎ／Ｏｆｆすることで受電回路の機能をＯｎ／Ｏｆｆ制御できるが、制御部がＳＷ１２を動作させる電力そのものをこの受電回路から得ている場合、受電回路Ｏｆｆになった後には制御部は動作を停止してしまい、その後に再起動できないという問題を生じる。
これを解決するためには、制御部を安定して動作させるための二次電池を受電回路側に設ける必要がある。しかし、二次電池を設けると受電回路の大きさ・重さ・コストが上昇してしまう。
よって、ＳＷ１２のような断続器で受電回路をＯｆｆすることは言葉通り自殺行為である。
また、仮に平滑コンデンサーの容量を増大するなどしてＳＷ１２を柔軟にＯｎ／Ｏｆｆできるようにしたとしても、前述の通り機械スイッチやメカニカルリレーや半導体素子を共振回路に直列で組込むことは受電性能を低下させることになるので、本願発明が課題としている問題を解決することができない。

（実施例１）
図２は、本件発明の受電回路２０を示している。
コイル２３とコンデンサー２４およびコンデンサー２５が共振回路を構成する。
図１と異なるのは、ＳＷ２２がコンデンサー２５を共振回路へ接続するか否かを選択するように機能する点である。ＳＷ２２がＯｎでもＯｆｆでも共振回路は切断されないので受電回路としては機能を続ける。
（図示しない）制御部は、通常はＳＷ２２を開いた状態とする。言うまでもなく、コイル２３とコンデンサー２４とにより共振回路が構成され、ＳＷ２２を閉じた時のみコンデンサー２４にコンデンサー２５の容量が加算されるので、それぞれの素子の定数に応じた共振周波数が無線給電周波数と一致するように設定されている。

（図示しない）受取電力確認部は、具体的には点Ａと点Ｂの間の電圧値を測定する。
制御部は、受取電力確認部が測定する電圧値を常に確認し、ある閾値（上限閾値）以上になったら、ＳＷ２２をＯｎにする。これにより共振回路のインピーダンスが変化するため当然にして共振周波数が変化する。無線給電周波数は変化しないので、共振周波数が変化することにより受電量が変化する。具体的には、全波整流回路へ入力される電圧が降下することになる。全波整流回路への入力電圧が降下すると平滑コンデンサーへ出力される電圧も降下し、受取電力確認部が測定する点Ａと点Ｂの間の電圧が降下することになる。そして、直流負荷に出力される直流電圧も降下することになる。

引続き制御部は受取電力確認部が測定する点Ａと点Ｂの間の電圧を監視し、ある閾値（下限閾値）以下になったら、ＳＷ２２をＯｆｆにする。これによりまたしても共振回路の共振周波数が変化する（元に戻る）。共振周波数は無線給電周波数と一致するように再びなるので、受電量が変化する。具体的には、全波整流回路へ入力される電圧が上昇することになる。よって、平滑コンデンサーへ出力される直流電圧も上昇し、受取電力確認部が測定する点Ａと点Ｂの間の電圧も上昇することになる。そして、直流負荷に出力される直流電圧も上昇することになる。

なお、請求項の「電力受取条件設定部」は、本実施例の場合は「ＳＷ２２とコンデンサー２５」のことである。

このように、受電状況によって受電回路の共振周波数を変化させることにより、受電回路としての機能を存続させたまま受電量を調整できるので、制御部などの補機を動作させるための電源（二次電池など）を用意しなくても済み、回路を単純化できる。このため、低コスト化・軽量化・省スペース化が可能となる。

（実施例２）
図３は、本件発明の異なる受電回路３０を示している。
実施例２（図２）と異なるのは、ＳＷ３２がコンデンサー３４を短絡するという点である。
実施例２と同様にＳＷ３２が共振回路の共振周波数を変化させるという機能を持つことは同じであるが、コンデンサー３４を短絡（キャパシタンスを０に）することで共振周波数は大きく変化する。理論上は共振周波数を算出できないが、実際には寄生容量成分などの影響により共振周波数そのものは存在する。
実施例１よりより大きく受電量を変化させる場合には本実施例の様にしても良い。

（図示しない）制御部は、組込みＣＰＵシステムとその上で動作するソフトウェアで実現しても良いし、専用のハードウェアによって制御しても良く、本発明では特に限定しない。
また、ＳＷ１２・ＳＷ２２・ＳＷ３２は、制御部からＯｎ／Ｏｆｆが制御できるものであれば継電器であったり半導体素子であっても良く、本発明では特に限定しない。

以上、本発明について好適な実施例を挙げて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、発明の精神を逸脱しない限り多くの改変を施すことが可能であるのは勿論である。

量産可能な共振回路およびＳＷを用いて受電回路の受電量の制御を行うことができ、補機用の電源（二次電池など）を用意しなくても連続して動作可能となり、低コスト化・軽量化・省スペース化などの効果を有している。

Claims (1)

1. 共振型無線給電システムの受電側回路であって、
   送電側から無線によって送電された電力を受け取る電力受取部と、
   前記電力受取部が受け取った電力を確認する受取電力確認部と、
   前記電力受取部が電力を受け取る際の条件を設定可能な電力受取条件設定部と、
   前記受取電力確認部が確認した受け取った電力の情報に基づいて、前記電力受取条件設定部の電力受取条件を設定し、受け取った電力を負荷へ供給するように制御する制御部と、
   を具備し、
   前記制御部は、前記受取電力確認部が確認する受取電力が負荷の要求する電力より大きい場合には、前記電力受取条件設定部へ前記電力受取条件を変更して、電力受取部が受け取る電力が少なくなるよう指示する
   ことを特徴とする受電回路。