JP2017184411A - ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤレス電力伝送システムにおいて、簡素な回路で構成し、かつ共鳴周波数の制御を不要とする。
【解決手段】ワイヤレス給電装置１は、ワイヤレス受電装置２にワイヤレスで電力を送信する給電コイルＬ１と、ワイヤレス受電装置２の共鳴周波数で駆動するためのパルス電力を給電コイルＬ１に出力する駆動回路１２と、ワイヤレス受電装置２に生じた整流電圧Ｖａに係る整流電圧情報を、無線通信路を介して受信する第１の無線モジュールＭ１と、第１の無線モジュールＭ１が受信した整流電圧情報に基づき、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成して駆動回路１２を制御する制御回路１１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システムに関する。

近年、金属接点やコネクタなどを介さずに電力を伝送するワイヤレス電力伝送技術を採用した機器が増えている。ワイヤレス電力伝送は、ワイヤレス給電や非接触電力伝達とも呼ばれる。

このワイヤレス電力伝送を大別すると、電力を電磁波（マイクロ波）に変換して給電する方式と、電界結合の共振現象を利用した方式と、磁界結合による方式とがある。この磁界結合による磁場の共振現象を利用するタイプには、例えば、特許文献１に記載の発明がある。

特許文献１の要約書の解決手段には、「給電コイルＬ２から受電コイルＬ３には磁気共振により電力が伝送される。ＶＣＯ２０２は、スイッチングトランジスタＱ１とスイッチングトランジスタＱ２を駆動周波数ｆｏにて交互にオン・オフさせ、給電コイルＬ２に交流電力を供給し、給電コイルＬ２から受電コイルＬ３に交流電力を供給する。位相検出回路１１４は電流位相と電圧位相の位相差を検出し、ＶＣＯ２０２はこの位相差がゼロとなるように駆動周波数ｆｏを調整する。負荷電圧が変化したときには電流位相の検出値が調整され、結果として駆動周波数ｆｏが調整される。」と記載されている。

特開２０１１−１３９６２１号公報

特許文献１に記載の磁場共振型の方式では、給電側共鳴と受電側共鳴を一致させる必要がある。よって、共鳴周波数の制御が行われるが、給電コイルと受電コイルとの位置のずれや距離の変動に対して周波数を追従させるのは難しい場合がある。

そこで、本発明は、ワイヤレス給電装置、ワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送システムにおいて、簡素な回路構成で共鳴周波数の制御を不要とすることを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明のワイヤレス給電装置は、受電装置にワイヤレスで電力を送信する給電コイルと、この受電装置の共鳴周波数で駆動するためのパルス電力を給電コイルに出力する駆動回路と、受電装置に生じた整流電圧に係る整流電圧情報を、無線通信路を介して受信する第１の無線モジュールと、この第１の無線モジュールが受信した整流電圧情報に基づき、駆動制御信号を生成して駆動回路を制御する制御回路とを備える。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、簡素な回路で構成可能であり、かつ共鳴周波数の制御が不要となる。

本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムの概略を示す構成図である。 制御回路の構成図である。 制御回路の動作を説明する波形図である。 無線モジュールの通信設定までの動作を示すフローチャートである。 電力調整の動作を示すフローチャートである。 出力電圧異常時の動作を示すフローチャートである。 無線モジュール間の通信路確立エラー時の動作を示すフローチャートである。 ＤＣ／ＤＣコンバータの制御動作を示すフローチャートである。 起動から電力調整までを示すシーケンス図である。 上位装置からのＤＣ／ＤＣコンバータの制御動作を示すシーケンス図である。 エラー発生時の動作を示すシーケンス図である。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態におけるワイヤレス電力伝送システムＳの概略を示す構成図である。
ワイヤレス電力伝送システムＳは、ワイヤレス給電装置１がワイヤレス受電装置２に対して磁界結合により電力を伝送するシステムである。以下、給電側と受電側それぞれの構成について説明する。

給電側であるワイヤレス給電装置１は、直流電源１８、制御回路１１、フルブリッジ構成の駆動回路１２、給電コイルＬ１、初期電圧制御回路１３、第１の無線モジュールＭ１、レギュレータＲｅ１を含んで構成される。

制御回路１１は、初期電圧制御回路１３や第１の無線モジュールＭ１が出力する信号に基づき、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成して駆動回路１２を制御する。このゲート信号Ｇ１〜Ｇ４は、駆動回路１２を制御する駆動制御信号である。この制御回路１１の電源端子ＶＤＣは、直流電源１８に接続されており、直流電圧Ｖｄｃが印加されることにより制御回路１１が動作する。更に制御回路１１は、定電圧端子ＶＲＥＧから所定の定電圧Ｖregを初期電圧制御回路１３に印加する。この制御回路１１は、第１の無線モジュールＭ１が受信した整流電圧情報に基づき、パルス電力のオンデューティを可変制御するようにゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成し、駆動回路１２を制御する。
駆動回路１２は、例えばＰＭＯＳ（Ｑ１，Ｑ２）とＮＭＯＳ（Ｑ３，Ｑ４）で構成されたフルブリッジ回路であり、ワイヤレス受電装置２側の共鳴周波数で駆動するためのパルス電力を給電コイルＬ１に出力する。この駆動回路１２は、直流電源１８に接続されており、直流電圧Ｖｄｃが印加されて動作する。給電コイルＬ１は、ワイヤレス受電装置２にワイヤレスで電力を送信する。なお、駆動回路１２は、全てＮＭＯＳで構成してもよい。

初期電圧制御回路１３は、初期電圧を設定する初期電圧設定回路１４と、初期電圧の設定を解除する初期電圧設定解除回路１５とを備える。具体的にいうと、初期電圧設定回路１４は、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を含んで構成される。初期電圧設定解除回路１５は、トランジスタＱ５を含んで構成され、初期電圧のノードを、グランドの電位に落とす機能を有する。この初期電圧制御回路１３は、制御回路１１の定電圧端子ＶＲＥＧから所定の定電圧Ｖregが印加されて動作し、初期駆動制御信号Ｓｓを端子ＦＢ１に出力する。制御回路１１は、初期駆動制御信号Ｓｓに基づき、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４のオンデューティの初期値を設定する。このとき、後記するワイヤレス受電装置２の２次側電源部２８は、第２の無線モジュールＭ２が動作可能な第１の所定電圧Ｖａ１（例えば５Ｖ）を供給する。

第１の無線モジュールＭ１は、無線信号送受信回路１６と、信号情報処理回路１７を含んで構成される。無線信号送受信回路１６は、ワイヤレス受電装置２の無線信号送受信回路２６との間で無線通信路（無線路の一例）を介して信号を送受信する機能を有する。なお無線信号送受信回路１６の電界強度と、後記する無線信号送受信回路２６の電界強度は、いずれも３５μＶ／ｍ以下である。
なお、無線信号送受信回路１６と無線信号送受信回路２６との間の通信は、電波通信に限られず、可視光通信や赤外線通信や超音波通信などの無線通信であってもよく、限定されない。

信号情報処理回路１７は、例えば記憶部と処理装置とを備えたマイクロコンピュータであり、不図示の給電制御プログラムを実行して制御回路１１や初期電圧設定解除回路１５を制御する。具体的にいうと、信号情報処理回路１７は、制御信号（第１の制御信号）Ｓ１を制御回路１１の端子ＦＢ２に出力して受電側に供給する電力をフィードバック制御する。更に信号情報処理回路１７は、制御信号（第２の制御信号）Ｓ２を初期電圧設定解除回路１５のトランジスタＱ５のベースに出力してトランジスタＱ５をオンさせて初期駆動制御信号Ｓｓを０Ｖに設定する。更に信号情報処理回路１７は、制御信号（第３の制御信号）Ｓ３を端子ＳＤに出力して、制御回路１１をシャットダウンさせる。

この第１の無線モジュールＭ１は、レギュレータＲｅ１から駆動電圧Ｖ１（例えば、３．３Ｖ）の電力が供給されて動作する。レギュレータＲｅ１は、直流電圧Ｖｄｃが印加されて駆動電圧Ｖ１の電力を供給する素子である。

受電側であるワイヤレス受電装置２は、共鳴回路２１、整流回路２２、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流変換回路；負荷の一例）２３、整流電圧検出回路２４、第２の無線モジュール（第２の無線モジュールの一例）Ｍ２、レギュレータＲｅ２を含んで構成される。

共鳴回路２１は、受電コイルＬ２と共鳴コンデンサＣ１とが並列接続されたＬＣ共鳴回路である。この共鳴回路２１は、ワイヤレス給電装置１の給電コイルＬ１からワイヤレスで電力を受信し、共鳴電圧を生成する。
整流回路２２は、入力された交流を直流に整流するダイオードブリッジＤＢと、整流した電圧を平滑化する整流コンデンサＣ２とを含んで構成される。これにより整流電圧Ｖａの電力が出力され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３、整流電圧検出回路２４、レギュレータＲｅ２に供給される。２次側電源部２８は、共鳴回路２１と整流回路２２を含んで構成される。

第２の無線モジュールＭ２は、無線信号送受信回路２６と、信号情報処理回路２７とを含んで構成され、レギュレータＲｅ２から駆動電圧Ｖ２（例えば、３．３Ｖ）の電力が供給されて動作する。
無線信号送受信回路２６は、ワイヤレス給電装置１との間で無線通信路を介して信号を送受信する機能を有する。信号情報処理回路２７は、例えば記憶部と処理装置とを備えたマイクロコンピュータであり、不図示の受電制御プログラムを実行してＤＣ／ＤＣコンバータ２３を制御する。更に信号情報処理回路２７は、検出電圧Ｖ３を計測して検出信号（整流電圧情報）Ｓｖを生成し、この検出信号Ｓｖを無線信号送受信回路２６によってワイヤレス給電装置１に送信する。更に信号情報処理回路２７は、制御信号Ｓ４をＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力して、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３を起動または停止させる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、２次側電源部２８から第２の所定電圧Ｖａ２（例えば、１２Ｖ）の電力が供給されると、これを別の出力電圧Ｖoutの電力に変換する回路であり、出力電圧Ｖoutにより負荷２９が駆動する。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と負荷２９とは、このワイヤレス受電装置２における負荷に相当する。このＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、第２の無線モジュールＭ２から出力される制御信号（第４の制御信号）Ｓ４により起動または停止する。
整流電圧検出回路２４は、分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を含んで構成され、整流電圧Ｖａを分圧した検出電圧Ｖ３を、第２の無線モジュールＭ２の信号情報処理回路２７に印加する。

この第２の無線モジュールＭ２は、レギュレータＲｅ２から駆動電圧Ｖ２（例えば、３．３Ｖ）の電力が供給されて動作する。レギュレータＲｅ２は、整流電圧Ｖａが印加されて駆動電圧Ｖ２の電力を供給する素子であり、ここでは第２の無線モジュールＭ２に供給している。

図２は、制御回路１１の構成を示す図である。
制御回路１１は、レギュレータ１１１、オペアンプ１１２，１１３、比較器１１４、ロジック回路１１５、発振回路１１６を含んで構成される。この制御回路１１は、電源端子ＶＤＣ、グランド端子ＧＮＤ、定電圧Ｖregを出力する定電圧端子ＶＲＥＧと、入力側の端子ＦＢ１，ＦＢ２および端子ＳＤと、出力側の端子Ｇ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４と、を含んでいる。
電源端子ＶＤＣには直流電圧Ｖｄｃが印加され、グランド端子ＧＮＤはグランドに接続される。

レギュレータ１１１は、定電圧Ｖregを生成する素子であり、電源端子ＶＤＣとグランド端子ＧＮＤに接続されて、直流電圧Ｖｄｃから生成した定電圧Ｖregを定電圧端子ＶＲＥＧに出力する。

オペアンプ１１２と抵抗Ｒ６とは、端子ＦＢ１に初期電圧制御回路１３の初期電圧設定回路１４から初期駆動制御信号Ｓｓが入力されたとき、基準電圧Ｖref1と初期駆動制御信号Ｓｓとの電位差に応じた出力信号ＳｓＣを出力する。
オペアンプ１１３と抵抗Ｒ７とは、端子ＦＢ２に第１の無線モジュールＭ１の信号情報処理回路１７から制御信号Ｓ１が入力されたとき、基準電圧Ｖref2と制御信号Ｓ１の電位差に応じた出力信号Ｓ１Ｃを出力する。

比較器１１４の反転入力端子には、これらオペアンプ１１２，１１３の出力端子が接続されて出力信号ＳｓＣまたは出力信号Ｓ１Ｃのうち電圧の低い方が入力され、非反転入力端子には発振回路１１６の三角波信号Ｓｔが入力される。これにより、反転入力端子に印加された電圧に応じたオンデューティのパルス信号を生成することができる。
ロジック回路１１５は、入力側に比較器１１４の出力端子と、三角波信号Ｓｔと、端子ＳＤとが接続され、出力側にゲート信号の出力端子が接続される。このロジック回路１１５は、三角波信号Ｓｔの上限ピーク、下限ピークと比較器１１４から入力されたパルス信号の立ち下がりからゲート信号Ｇ１，Ｇ２とゲート信号Ｇ３，Ｇ４とをそれぞれ生成する。ロジック回路１１５は、端子ＳＤに第１の無線モジュールＭ１の信号情報処理回路１７から制御信号Ｓ３が入力されると、ゲート信号Ｇ１〜Ｇ４の出力動作を停止する。
発振回路１１６は、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ３に接続されて発振し、三角波を出力する。

図３（ａ）〜（ｆ）は、制御回路１１の動作を説明する波形図であり、各波形図の横軸は共通する時間を示している。
図３（ａ）は、発振回路１１６から出力されて比較器１１４の非反転入力端子に入力される三角波信号Ｓｔの波形である。三角波信号Ｓｔは常に、周期Ｔ０でランプ波形を繰り返す。この周期Ｔ０は、２倍して、その逆数を計算すると受電側の共鳴周波数となるように設定されている。図３（ａ）の横軸方向の最も細かい破線は、起動直後におけるオペアンプ１１２の出力信号ＳｓＣの電圧を示している。この出力信号ＳｓＣの電圧は、比較器１１４の反転入力端子に印加される。このとき、整流回路２２から出力される整流電圧Ｖａは、第１の所定電圧Ｖａ１（例えば、５Ｖ）となる。

横軸方向の２番目に粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のオペアンプ１１３の出力信号Ｓ１Ｃａの電圧を示している。この出力信号Ｓ１Ｃａの電圧は、比較器１１４の反転入力端子に印加される。
横軸方向の最も粗い破線は、負荷が重い場合のオペアンプ１１３の出力信号Ｓ１Ｃｂの電圧を示している。この出力信号Ｓ１Ｃｂの電圧は、比較器１１４の反転入力端子に印加される。このとき、整流回路２２から出力される整流電圧Ｖａは、第２の所定電圧Ｖａ２（例えば、１２Ｖ）となる。

図３（ｂ）は、ゲート信号Ｇ１の波形である。
細かい破線は、起動直後におけるゲート信号Ｇ１を示している。粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のゲート信号Ｇ１を示している。実線は、負荷が重い場合のゲート信号Ｇ１を示している。三角波信号Ｓｔの上限ピークの２回の１回ごとにゲート信号Ｇ１が立ち上がり、三角波信号Ｓｔが比較器１１４の反転入力端子の電圧を超えた所定時間経過後にゲート信号Ｇ１が立ち下がる。このゲート信号Ｇ１がＬｏｗレベルのときに、ＰＭＯＳ（Ｑ１）がオンする。

図３（ｃ）は、ゲート信号Ｇ２の波形である。
細かい破線は、起動直後におけるゲート信号Ｇ２を示している。粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のゲート信号Ｇ２を示している。実線は、負荷が重い場合のゲート信号Ｇ２を示している。三角波信号Ｓｔの上限ピークの２回の１回ごとにゲート信号Ｇ２が立ち上がり、三角波信号Ｓｔが比較器１１４の反転入力端子の電圧を超えた所定時間経過後にゲート信号Ｇ２が立ち下がる。このゲート信号Ｇ２がＬｏｗレベルのときに、ＰＭＯＳ（Ｑ２）がオンする。

図３（ｄ）は、ゲート信号Ｇ３の波形である。
細かい破線は、起動直後におけるゲート信号Ｇ３を示している。粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のゲート信号Ｇ３を示している。実線は、負荷が重い場合のゲート信号Ｇ３を示している。このゲート信号Ｇ３は、ゲート信号Ｇ１と同様である。三角波信号Ｓｔの下限ピークの２回の１回ごとにゲート信号Ｇ３が立ち上がり、三角波信号Ｓｔが比較器１１４の反転入力端子の電圧を超えたときにゲート信号Ｇ３が立ち下がる。このゲート信号Ｇ３がＨｉｇｈレベルのときに、ＮＭＯＳ（Ｑ３）がオンする。

図３（ｅ）は、ゲート信号Ｇ４の波形である。
細かい破線は、起動直後におけるゲート信号Ｇ４を示している。粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のゲート信号Ｇ４を示している。実線は、負荷が重い場合のゲート信号Ｇ４を示している。このゲート信号Ｇ４は、ゲート信号Ｇ２と同様である。三角波信号Ｓｔのピークの２回の１回ごとにゲート信号Ｇ４が立ち上がり、三角波信号Ｓｔが比較器１１４の反転入力端子の電圧を超えたときにゲート信号Ｇ４が立ち下がる。このゲート信号Ｇ４がＨｉｇｈレベルのときに、ＮＭＯＳ（Ｑ４）がオンする。

図３（ｆ）は、給電コイルＬ１に印加されるコイル電圧Ｖｌの波形である。
このコイル電圧Ｖｌは、正のパルスと零電圧と負のパルスとが周期的に繰り返す波形である。細かい破線は、起動直後におけるコイル電圧Ｖｌを示している。粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のコイル電圧Ｖｌを示している。実線は、負荷が重い場合のコイル電圧Ｖｌを示している。ゲート信号Ｇ１がＬｏｗレベルでゲート信号Ｇ４がＨｉｇｈレベルならばコイル電圧Ｖｌは正のパルス、ゲート信号Ｇ２がＬｏｗレベルでゲート信号Ｇ３がＨｉｇｈレベルならばコイル電圧Ｖｌは負のパルスとなる。

細かい破線は、起動直後におけるコイル電圧Ｖｌを示している。コイル電圧Ｖｌは、正のパルスを期間Ｔ１に亘って出力したのち零電圧となり、負のパルスを期間Ｔ２に亘って出力したのち零電圧となり、これを繰り返す。期間Ｔ１と期間Ｔ２とは等しい。
粗い破線は、例えば負荷が軽い場合のコイル電圧Ｖｌを示している。コイル電圧Ｖｌは、正のパルスを期間Ｔ３に亘って出力したのち零電圧となり、負のパルスを期間Ｔ４に亘って出力したのち零電圧となり、これを繰り返す。期間Ｔ３と期間Ｔ４とは等しい。

実線は、負荷が重い場合のコイル電圧Ｖｌを示している。コイル電圧Ｖｌは、正のパルスを期間Ｔ５に亘って出力したのち零電圧となり、負のパルスを期間Ｔ６に亘って出力したのち零電圧となり、これを繰り返す。期間Ｔ５と期間Ｔ６とは等しい。このように制御回路１１は、受電側の共鳴周波数かつ所定のオンデューティを有するゲート信号Ｇ１〜Ｇ４を生成して駆動回路１２を制御する。これによりワイヤレス電力伝送システムＳを簡素な回路で構成可能であり、かつ共鳴周波数の制御が不要となる。
図３（ｆ）に示すようにコイル電圧Ｖｌの波形は、正のパルスと負のパルスとが対称性（シンメトリー）を保って出力されている。これにより、受電側の共鳴回路２１に生じる共鳴電圧に対称性を持たせることができる。

（動作説明）
図４は、第１の無線モジュールＭ１と第２の無線モジュールＭ２の通信設定までの動作を示すフローチャートであり、図５は、電力調整の動作を示すフローチャートである。図６は、出力電圧異常時の動作を示すフローチャートであり、図７は、無線モジュール間の通信路確立エラー時の動作を示すフローチャートであり、図８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の制御動作を示すフローチャートである。

図４に示すように、ワイヤレス給電装置１にて直流電源１８が、各部に対して直流電圧Ｖｄｃの供給を開始する（ステップＳ１０）。これによりレギュレータＲｅ１が起動して（ステップＳ１３）駆動電圧Ｖ１の電力の供給を開始し、第１の無線モジュールＭ１が起動する（ステップＳ１４）。更に制御回路１１が起動を開始し（ステップＳ１１）、駆動回路１２と給電コイルＬ１により、初期駆動制御信号Ｓｓに応じた第１の電力を外部に送信する。

すると、この初期駆動制御信号Ｓｓに応じた第１の電力をワイヤレス受電装置２の２次側電源部２８が受信する（ステップＳ１５）。これによりレギュレータＲｅ２が起動して（ステップＳ１６）駆動電圧Ｖ２の電力の供給を開始し、第２の無線モジュールＭ２が起動する（ステップＳ１７）。
次いで第１の無線モジュールＭ１と第２の無線モジュールＭ２とは、両者間の通信設定を行い（ステップＳ１８）、以降は図５に示す電力調整を行う。

図５は、電力調整の動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１５にて２次側電源部２８が整流電圧Ｖａの電力を供給するので、ワイヤレス受電装置２の第２の無線モジュールＭ２には、整流電圧Ｖａを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧した検出電圧Ｖ３が印加されている。第２の無線モジュールＭ２は、この検出電圧Ｖ３を計測し、整流電圧Ｖａに係る整流電圧情報である検出信号Ｓｖを生成し、この検出信号Ｓｖを無線通信路により送信する（ステップＳ２０）。
この検出信号Ｓｖを、ワイヤレス給電装置１の第１の無線モジュールＭ１が無線通信路を介して受信したならば（ステップＳ２１→Ｙｅｓ）、制御信号（第２の制御信号）Ｓ２を初期電圧設定解除回路１５に出力する（ステップＳ２２）。これにより初期電圧制御回路１３は、動作を停止する（ステップＳ２３）。同時に第１の無線モジュールＭ１は、この検出信号Ｓｖに基づく制御信号（第１の制御信号）Ｓ１を、制御回路１１に出力する（ステップＳ２４）。

制御回路１１は、制御信号Ｓ１の電圧と、基準電圧Ｖref2とを比較する（ステップＳ２５）。そして、制御回路１１は、制御信号Ｓ１が基準電圧Ｖref2よりも小さいならば（ステップＳ２６→Ｙｅｓ）、この電位差に応じてフルブリッジのスイッチ素子のゲートオン・デューティを広げる（ステップＳ２７）。制御回路１１は、制御信号Ｓ１が基準電圧Ｖref2よりも大きいならば（ステップＳ２８→Ｙｅｓ）、この電位差に応じてフルブリッジのスイッチ素子のゲートオン・デューティを狭める（ステップＳ２９）。制御信号Ｓ１が基準電圧Ｖref2と等しいならば（ステップＳ２８→Ｎｏ）、ステップＳ３０の処理に進み、制御信号Ｓ１に応じた第２の電力を送信する。これによりワイヤレス電力伝送システムＳは、制御信号Ｓ１の電圧が基準電圧Ｖref2に近づくようにフィードバック制御している。

ステップＳ２７，Ｓ２９の処理の後、制御回路１１は、駆動回路１２と給電コイルＬ１により、制御信号Ｓ１に応じた第２の電力を送信する（ステップＳ３０）。ここで送信された制御信号Ｓ１に応じた第２の電力が、ワイヤレス受電装置２の２次側電源部２８によって受信され（ステップＳ３１）、再びステップＳ２０の処理に戻る。これにより、２次側電源部２８が生成する整流電圧Ｖａは、所定値（第２の所定電圧Ｖａ２；例えば、１２Ｖ）になるようにフィードバック制御される。

図６は、出力電圧異常時の処理を示すフローチャートである。この処理は、図５のステップＳ３０の後に実行される。
ワイヤレス受電装置２の第２の無線モジュールＭ２は、検出信号Ｓｖにより、整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２の近傍の値であるか否かを判定する（ステップＳ４０）。第２の無線モジュールＭ２は、整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２を所定値以上超えるか（例えば、２４Ｖ以上）、または第２の所定電圧Ｖａ２の所定値未満（例えば、５Ｖ未満）ならば出力電圧が異常状態であると判定し、この状態が所定時間に亘って継続するか否かを判定する（ステップＳ４１）。
第２の所定電圧Ｖａ２を所定値以上超えるか、または第２の所定電圧Ｖａ２の所定値未満の状態が所定時間に亘って継続した場合（ステップＳ４１→Ｙｅｓ）、第２の無線モジュールＭ２は、出力エラー信号を第１の無線モジュールＭ１に送信する（ステップＳ４２）。第１の無線モジュールＭ１は、この出力エラー信号を受信すると（ステップＳ４３）、制御回路１１の端子ＳＤに制御信号Ｓ３を出力する（ステップＳ４４）。これにより制御回路１１はシャットダウンし（ステップＳ４５）、ワイヤレス給電装置１は、電力の伝送を停止する。

図７は、無線モジュール間の通信路確立エラー時の処理を示すフローチャートである。この処理は、図５のステップＳ２１にて、第１の無線モジュールＭ１が検出信号Ｓｖを受信しなかったとき（ステップＳ２１→Ｎｏ）に実行される。
ワイヤレス給電装置１の第１の無線モジュールＭ１は、所定時間が経過していないならば（ステップＳ５０→Ｎｏ）、この判定を繰り返し、所定時間が経過したならば（ステップＳ５０→Ｙｅｓ）、制御回路１１の端子ＳＤに制御信号Ｓ３を出力する（ステップＳ５１）。これにより制御回路１１はシャットダウンし（ステップＳ５２）、ワイヤレス給電装置１は、電力の伝送を停止する。

図８は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の制御動作を示すフローチャートである。
ワイヤレス給電装置１の第１の無線モジュールＭ１は、例えば不図示の上位装置などの指示を受けて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の起動信号または停止信号を送信する（ステップＳ６０）。
この起動信号または停止信号を、ワイヤレス受電装置２の第２の無線モジュールＭ２が受信すると（ステップＳ６１）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に対して起動／停止を指示する制御信号Ｓ４を出力する（ステップＳ６２）。これによりＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、起動または停止を行う（ステップＳ６３）。

図９は、起動から電力調整までを示すシーケンス図であり、図４と図５のフローチャートによる動作の一例を示している。
受電側共鳴のみの磁界結合型のワイヤレス電力伝送システムＳが起動し、直流電源１８が、レギュレータＲｅ１、制御回路１１などに対して直流電圧Ｖｄｃの電力の供給を開始する（シーケンスＱ１０）。これにより、制御回路１１は動作を開始し（シーケンスＱ１１）、レギュレータＲｅ１は、直流電圧Ｖｄｃを駆動電圧Ｖ１に変換して、第１の無線モジュールＭ１に供給し（シーケンスＱ１２）、第１の無線モジュールＭ１を起動させる（シーケンスＱ１３）。制御回路１１は、定電圧Ｖregの電力を生成して初期電圧制御回路１３に供給する。初期電圧制御回路１３は、初期電圧設定回路１４の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２で分圧した電圧を初期駆動制御信号Ｓｓとして、制御回路１１の端子ＦＢ１に印加する（シーケンスＱ１４）。この初期駆動制御信号Ｓｓは、ワイヤレス受電装置２の２次側電源部２８から出力される整流電圧Ｖａが第１の所定電圧Ｖａ１（例えば、５Ｖ）となるように予め設定されている。

制御回路１１は、期間Ｔ１，Ｔ２のパルス幅（オン・デューティ）の矩形波を出力して駆動回路１２を制御する（シーケンスＱ１５）。フルブリッジ構成の駆動回路１２は、給電コイルＬ１を受電側の共鳴周波数の矩形波で駆動し、電力を伝送する（シーケンスＱ１６）。この共鳴周波数は、例えば１００ｋＨｚである。このとき、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２との距離を所定の範囲内とすることで、電力送電効率を高めることができる。更に給電コイルＬ１を駆動するパルス電圧のＯＮ時間は、図３（ｂ）〜（ｆ）に示したようにシンメトリーとする。

２次側電源部２８は、ワイヤレス電力を受信する受電コイルＬ２と、共鳴コンデンサＣ１とを含む共鳴回路２１で共鳴電圧を生成し、この共鳴電圧をダイオードブリッジＤＢで整流した整流電圧Ｖａを生成する。この整流電圧Ｖａの電力は、第１の所定電圧Ｖａ１（例えば、５Ｖ）であり、レギュレータＲｅ２と整流電圧検出回路２４に供給される（シーケンスＱ１７）。なお、整流電圧Ｖａは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３にも印加されるが、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３は５Ｖでは動作しないため、図示を省略している。

レギュレータＲｅ２は、第１の所定電圧Ｖａ１の電力を駆動電圧Ｖ２の電力に変換して、第２の無線モジュールＭ２に供給し（シーケンスＱ１８）、第２の無線モジュールＭ２を起動させる（シーケンスＱ１９）。第１の無線モジュールＭ１は、第２の無線モジュールＭ２と相互通信状態に設定して、無線通信路を確立する（シーケンスＱ２０）。

整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２（例えば１２Ｖ）になるように、以下の動作を行う。
整流電圧検出回路２４は、整流電圧Ｖａを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧した検出電圧Ｖ３を生成する。この検出電圧Ｖ３は、第２の無線モジュールＭ２の信号情報処理回路２７（マイコン）によって計測されて検出信号Ｓｖが生成される（シーケンスＱ２１）。第２の無線モジュールＭ２は、整流電圧Ｖａに係る整流電圧情報である検出信号Ｓｖをフィードバック信号として、第１の無線モジュールＭ１に送信する（シーケンスＱ２２）。

この検出信号Ｓｖを、第１の無線モジュールＭ１が無線信号送受信回路１６で受信すると、Ｈｉｇｈ（Ｈ）レベルの制御信号Ｓ２を初期電圧制御回路１３に出力する（シーケンスＱ２３）。初期電圧設定解除回路１５のトランジスタＱ５のベースに、Ｈｉｇｈレベルの制御信号Ｓ２が印加されてトランジスタＱ５がＯＮし、制御回路１１の端子ＦＢ１がＬｏｗレベルとなる。よって初期電圧制御回路１３は、制御回路１１に対する初期駆動制御信号Ｓｓの出力を停止する。（シーケンスＱ２４）。
同時に第１の無線モジュールＭ１は、検出信号Ｓｖに基づく制御信号Ｓ１を生成し、この制御信号Ｓ１を制御回路１１の端子ＦＢ２に出力（フィードバック）する（シーケンスＱ２５）。制御回路１１は、制御信号Ｓ１と基準電圧Ｖref2との比較結果で決定したパルス幅（オンデューティ）の矩形波を出力して駆動回路１２を制御する（シーケンスＱ２６）。フルブリッジ構成の駆動回路１２は、給電コイルＬ１を受電側の共鳴周波数の矩形波で駆動し、電力を伝送する（シーケンスＱ２７）。この共鳴周波数は、例えば１００ｋＨｚである。

２次側電源部２８は、受電コイルＬ２と共鳴コンデンサＣ１を含む共鳴回路２１で共鳴電圧を生成し、この共鳴電圧をダイオードブリッジＤＢで整流した整流電圧Ｖａを生成する。この整流電圧Ｖａの電力は、第２の所定電圧Ｖａ２（例えば、１２Ｖ）であり、レギュレータＲｅ２と整流電圧検出回路２４とＤＣ／ＤＣコンバータ２３に供給される（シーケンスＱ２８）。以降、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、制御信号Ｓ４によって起動可能な状態となる。

整流電圧検出回路２４は、整流電圧Ｖａを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧した検出電圧Ｖ３を生成する。この検出電圧Ｖ３は、第２の無線モジュールＭ２の信号情報処理回路２７（マイコン）によって計測されて検出信号Ｓｖが生成される（シーケンスＱ２９）。第２の無線モジュールＭ２は、整流電圧Ｖａに係る整流電圧情報である検出信号Ｓｖをフィードバック信号として、第１の無線モジュールＭ１に送信する（シーケンスＱ３０）。
以降は、シーケンスＱ２５〜Ｑ３０の処理が繰り返されて、整流電圧Ｖａは第２の所定電圧Ｖａ２（例えは、１２Ｖ）に収束する。

図１０は、上位装置３からのＤＣ／ＤＣコンバータ２３の制御動作を示すシーケンス図であり、図１０に示したフローチャートによる動作の一例を示している。
ワイヤレス電力伝送システムＳの起動の際、上位装置３は、第１の無線モジュールＭ１にＤＣ／ＤＣコンバータ２３の起動信号を送信する（シーケンスＱ４０）。

この第１の無線モジュールＭ１は、ワイヤレス受電装置２の第２の無線モジュールＭ２にＤＣ／ＤＣコンバータ２３の起動信号を転送する（シーケンスＱ４１）。更に整流電圧検出回路２４が、検出電圧Ｖ３を第２の無線モジュールＭ２に印加する（シーケンスＱ４２）。整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２である１２Ｖに達していることを、第２の無線モジュールＭ２が検出したならば（シーケンスＱ４３）、制御信号Ｓ４をＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力し（シーケンスＱ４４）、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３を起動させる（シーケンスＱ４５）。以降、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、負荷２９（図１参照）に所定の電圧（例えば、出力電圧Ｖout）の電力を供給する。

シーケンスＱ４５の後、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３と負荷２９の消費電力が変動しても、整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２となるように検出信号Ｓｖが第２の無線モジュールＭ２と第１の無線モジュールＭ１を介してフィードバックされ、検出信号Ｓｖに基づく制御信号Ｓ１が制御回路１１にフィードバックされる。これにより、給電コイルＬ１を駆動する駆動回路１２から出力されるパルス信号のオンデューティが変化する。

ワイヤレス電力伝送システムＳの停止の際、上位装置３は、第１の無線モジュールＭ１にＤＣ／ＤＣコンバータ２３の停止信号を送信する（シーケンスＱ５０）。
この第１の無線モジュールＭ１は、ワイヤレス受電装置２の第２の無線モジュールＭ２にＤＣ／ＤＣコンバータ２３の停止信号を転送する（シーケンスＱ５１）。第２の無線モジュールＭ２は、制御信号Ｓ４をＤＣ／ＤＣコンバータ２３に出力して（シーケンスＱ５２）、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３を停止させる（シーケンスＱ５３）。
また、給電側の直流電圧Ｖｄｃをオフすることで、ワイヤレス給電装置１を一方的に停止してもよい。

図１１は、エラー発生時の動作を示すシーケンス図であり、図６と図７に示したフローチャートによる動作の一例を示している。
第１の無線モジュールＭ１は、第２の無線モジュールＭ２と相互通信状態に設定して、通信路を確立しようとする（シーケンスＱ６０）。
その後、第１の無線モジュールＭ１は、通信路が確立しないタイムアウトを検知する（シーケンスＱ６１）と、第１の無線モジュールＭ１は、制御回路１１の端子ＳＤに制御信号Ｓ３を出力する（シーケンスＱ６２）。これにより制御回路１１は動作を停止し（シーケンスＱ６３）、ワイヤレス給電装置１は、電力の伝送を停止する。これにより、ワイヤレス電力伝送システムＳを停止させることができる。
なお、第１の無線モジュールＭ１と第２の無線モジュールＭ２との無線通信路が確立後、何らかの要因で無線通信路が遮断された場合、第１の無線モジュールＭ１は、上記と同様に、制御回路１１の端子ＳＤに制御信号Ｓ３を出力して、ワイヤレス電力伝送システムＳを停止させることができる。

更に、ワイヤレス受電装置２の整流電圧Ｖａが第２の所定電圧Ｖａ２を超える値あるいは第２の所定電圧Ｖａ２未満の値となる異常状態が所定時間継続した場合を考える。整流電圧検出回路２４は、整流電圧Ｖａを分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４で分圧した検出電圧Ｖ３を生成する。この検出電圧Ｖ３は、第２の無線モジュールＭ２の信号情報処理回路２７（マイコン）に印加される（シーケンスＱ７０）。
第２の無線モジュールＭ２は、整流電圧Ｖａのエラーを検知し（シーケンスＱ７１）、エラー信号を第１の無線モジュールＭ１に送信する（シーケンスＱ７２）。第１の無線モジュールＭ１は、このエラー信号を受けて、制御回路１１の端子ＳＤに制御信号Ｓ３を出力する（シーケンスＱ７３）。これにより制御回路１１は動作を停止し（シーケンスＱ７４）、ワイヤレス給電装置１は、電力の伝送を停止する。これにより、例えば、ワイヤレス給電装置１とワイヤレス受電装置２とが想定以上に離された際、ワイヤレス電力伝送システムＳを停止させることができる。

以上のように、本発明のワイヤレス電力伝送システムＳは、給電側に共鳴回路が不要であるため、従来の磁場共振型の方式のように給電側共鳴と受電側共鳴を一致させる必要は無く、また、給電コイルと受電コイルとの位置のずれや距離の変動に対して周波数を追従させる必要がないため、共鳴周波数の制御が不要となる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の（ａ）〜（ｄ）のようなものがある。
（ａ） ワイヤレス受電装置２にＤＣ／ＤＣコンバータ２３は必須ではなく、負荷２９が直接に接続されていてもよい。
（ｂ） ワイヤレス給電装置１の上位装置３から制御する対象は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３に限られず、例えば負荷２９を制御してもよい。
（ｃ） ワイヤレス給電装置１とワイヤレス受電装置２との間の無線通信は、電波通信に限定されず、適切な無線通信路を確立できれば、例えば赤外線通信、可視光通信、超音波通信などの無線方式であってもよく、限定されない。
（ｄ） フィードバック制御は、図５に示した比例制御（古典制御）に限定されず、ＰＩ制御やＰＩＤ制御などの古典制御、または現代制御であってもよく、限定されない。

Ｓ ワイヤレス電力伝送システム
１ ワイヤレス給電装置
１１ 制御回路
１１１ レギュレータ
１１２，１１３ オペアンプ
１１４ 比較器
１１５ ロジック回路
１１６ 発振器
１２ 駆動回路
１３ 初期電圧制御回路
１４ 初期電圧設定回路
１５ 初期電圧設定解除回路
Ｍ１ 第１の無線モジュール
１６ 無線信号送受信回路
１７ 信号情報処理回路
１８ 直流電源
Ｌ１ 給電コイル
Ｒｅ１ レギュレータ
Ｇ１〜Ｇ４ ゲート信号
２ ワイヤレス受電装置
２１ 共鳴回路
Ｌ２ 受電コイル
Ｃ１ 共鳴コンデンサ
２２ 整流回路
ＤＢ ダイオードブリッジ
Ｃ２ 整流コンデンサ
２３ ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流変換回路；負荷の一例）
２４ 整流電圧検出回路
Ｍ２ 第２の無線モジュール
２６ 無線信号送受信回路
２７ 信号情報処理回路
２８ ２次側電源部
２９ 負荷
Ｒｅ２ レギュレータ
Ｓ１ 制御信号（第１の制御信号）
Ｓ２ 制御信号（第２の制御信号）
Ｓ３ 制御信号（第３の制御信号）
Ｓ４ 制御信号（第４の制御信号）
Ｖａ 整流電圧
Ｖａ１ 第１の所定電圧
Ｖａ２ 第２の所定電圧
Ｖout 出力電圧
Ｖ１，Ｖ２ 駆動電圧
Ｖ３ 検出電圧
Ｓｓ 初期駆動制御信号
Ｓｔ 三角波信号
ＳｓＣ 出力信号
Ｓ１Ｃ 出力信号
Ｓ１Ｃａ 出力信号
Ｓ１Ｃｂ 出力信号
Ｓｖ 検出信号（整流電圧情報）

Claims (18)

1. 受電装置にワイヤレスで電力を送信する給電コイルと、
   前記受電装置の共鳴周波数で駆動するためのパルス電力を前記給電コイルに出力する駆動回路と、
   前記受電装置に生じた整流電圧に係る整流電圧情報を、無線通信路を介して受信する第１の無線モジュールと、
   前記第１の無線モジュールが受信した前記整流電圧情報に基づき、駆動制御信号を生成して前記駆動回路を制御する制御回路と、
   を備えることを特徴とするワイヤレス給電装置。
2. 前記駆動回路は、フルブリッジ回路であって、前記給電コイルに前記パルス電力を印加してパルス駆動し、
   前記制御回路は、前記整流電圧情報に基づき、前記パルス電力のオンデューティを可変制御する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
3. 前記駆動回路のハイサイドスイッチング素子同士およびローサイドスイッチング素子同士のゲート信号のパルス幅は等しい、
   ことを特徴とする請求項２に記載のワイヤレス給電装置。
4. 直流電源から直流電圧が印加されたときに、前記整流電圧が、前記受電装置が備える第２の無線モジュールが動作可能な第１の所定電圧となるための初期電圧制御信号を生成して前記制御回路に出力する初期電圧制御回路を備え、
   前記制御回路は、前記初期電圧制御信号に基づいて、前記整流電圧が前記第１の所定電圧となるように前記駆動制御信号を生成する、
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のワイヤレス給電装置。
5. 前記直流電源から印加された前記直流電圧を第１の駆動電圧に変換し、当該第１の駆動電圧を前記第１の無線モジュールに供給する第１のレギュレータを備える、
   ことを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
6. 前記受電装置は、前記第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧が印加されて動作する負荷を備えており、
   前記制御回路は、前記整流電圧が前記第１の所定電圧に設定された後、前記整流電圧情報に基づき、前記受電装置に生じた前記整流電圧が、前記第２の所定電圧となるように前記駆動回路を制御する、
   ことを特徴とする請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
7. 前記初期電圧制御回路は、前記第１の無線モジュールからの制御信号に基づき、前記初期電圧制御信号の出力を停止する、
   ことを特徴とする請求項６に記載のワイヤレス給電装置。
8. 前記第１の無線モジュールは、前記受電装置からエラー信号を受信したときには、前記制御回路に停止信号を出力して前記駆動制御信号の生成を停止させる、
   ことを特徴とする請求項１ないし６のうちいずれか１項に記載のワイヤレス給電装置。
9. 給電装置からワイヤレスで電力を受信する受電コイルと、コンデンサと、を含み、共鳴電圧を生成する共鳴回路と、
   前記共鳴電圧を整流して整流電圧を出力する整流回路と、
   前記整流電圧をもとに整流電圧情報を生成して前記給電装置が備える第１の無線モジュールに送信する第２の無線モジュールと、
   を備えるワイヤレス受電装置。
10. 前記第２の無線モジュールが動作可能な第１の所定電圧よりも高い第２の所定電圧が印加されて動作する負荷を備え、
    前記負荷は、前記第２の無線モジュールが出力する制御信号により、起動または停止する、
    ことを特徴とする請求項９に記載のワイヤレス受電装置。
11. 前記第２の無線モジュールは、前記整流電圧が前記第２の所定電圧に達した際、前記第１の無線モジュールからの起動指令情報に基づき、起動指令信号を前記負荷に出力して当該負荷を起動させる、
    ことを特徴とする請求項１０に記載のワイヤレス受電装置。
12. 前記第２の無線モジュールは、前記第１の無線モジュールからの停止指令情報に基づき、停止指令信号を前記負荷に出力して当該負荷を停止させる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のワイヤレス受電装置。
13. 前記第２の無線モジュールは、基準電圧が第２の所定電圧に達してから所定時間経過後、起動指令信号を前記負荷に出力して当該負荷を起動させる、
    ことを特徴とする請求項１１に記載のワイヤレス受電装置。
14. 前記整流回路が出力する前記整流電圧を第２の駆動電圧に変換し、当該第２の駆動電圧を前記第２の無線モジュールに供給する第２のレギュレータを備える、
    ことを特徴とする請求項９ないし１３のいずれか１項に記載のワイヤレス受電装置。
15. 請求項１ないし請求項８のうちいずれか１項に記載のワイヤレス給電装置と、
    請求項９ないし請求項１４のうちいずれか１項に記載のワイヤレス受電装置と、
    を備えることを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
16. 前記ワイヤレス受電装置が備える整流回路が出力する整流電圧が、第１の所定電圧から第２の所定電圧に変化したのちに、当該第２の所定電圧を含む範囲から外れる状態が所定時間継続した場合、前記ワイヤレス受電装置が備える第２の無線モジュールはエラー信号を前記第１の無線モジュールに送信し、前記第１の無線モジュールは当該エラー信号を受けて、前記制御回路に停止信号を出力して電力伝送を停止させる、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のワイヤレス電力伝送システム。
17. 前記第１の無線モジュールと、前記第２の無線モジュールとは無線通信路を介して通信する、
    ことを特徴とする請求項１６に記載のワイヤレス電力伝送システム。
18. 前記第１の無線モジュールの電界強度と、前記第２の無線モジュールの電界強度とは、いずれも３５μＶ／ｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のワイヤレス電力伝送システム。

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