JP2018046637A

JP2018046637A - ワイヤレス給電システム

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Publication number: JP2018046637A
Application number: JP2016179061A
Authority: JP
Inventors: 信弘河合; Nobuhiro Kawai; 祐樹前田; Yuki Maeda
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-09-14
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2018-03-22
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: US10622141B2; US20180075967A1; JP6634987B2

Abstract

【課題】消費電力を抑えつつ、受電装置から送電装置へ信号の伝達を確実に行えるようにしたワイヤレス給電システムを提供する。
【解決手段】ワイヤレス給電システム３０１は、送電装置１０１と受電装置２０１とを備える。送電装置１０１の送電回路１２は、送電コイル１０に供給する高周波電力を切り替える。受電装置２０１は、リセットＩＣ２８が送電回路１２による高周波電力の切り替えを検出すると、送電装置１０１に伝送する信号の内容に基づいて、送電回路１２から負荷回路２３側をみた入力インピーダンスを変化させる。送電装置２０１は、その入力インピーダンスの変化を検出して、信号の内容を取得する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波電力を送電装置から受電装置へワイヤレスで給電するワイヤレス給電システムに関する発明である。

電力送電装置から電力受電装置へ磁界結合によりワイヤレスで電力を給電するワイヤレス給電システムにおいては、電力送電装置が送電用コイルを備え、電力受電装置が受電用コイルを備える。このようなワイヤレス給電システムにおいて、電力受電装置から電力送電装置に対して信号を伝送し、電力送電装置側で電力受電装置の状態を把握するワイヤレス給電システムが特許文献１に示されている。

特許文献１に示されているワイヤレス給電システムでは、電力受電装置から電力送電装置に対して信号を伝送する際、電力送電装置から電力受電装置への電力搬送を中断し、電力送電装置から電力受電装置に電力搬送する電力搬送タイミングと、電力受電装置から電力送電装置へ信号を伝送する信号伝送タイミングとを交互に繰り返して、電力送電装置から電力受電装置に電力搬送し、電力受電装置から電力送電装置に信号を伝送する。

特開２０１４−２３３２３号公報

このワイヤレス給電システムにおいて、電力送電装置は、負荷側のインピーダンスを検出する検出回路を備え、その検出回路が、電力搬送中に、送電コイルの負荷インピーダンスの変化を検出して、電力送電装置側へ伝送される信号を検出している。この電力送電装置は、電力受電装置がどのタイミングで信号を送出するかを把握できない。このため、電力送電装置は、検出回路を常に動作させ、電力受電装置からの信号を検出し損ねないようにしている。この場合、電力送電装置側では消費電力が大きくなるといった問題がある。

そこで、本発明の目的は、消費電力を抑えつつ、受電装置から送電装置への信号の伝達を確実に行えるようにしたワイヤレス給電システムを提供することにある。

本発明に係るワイヤレス給電システムは、送電コイルと、前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、前記送電コイルに対して電磁界結合する受電コイルと、前記受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路とを有し、前記直流電力を消費する負荷回路に接続される受電装置と、を備え、前記送電装置の前記送電回路は、前記送電コイルに供給する高周波電力を切り替え、前記受電装置は、前記送電回路による高周波電力の切り替えを検出する切替検出回路と、前記切替検出回路が前記高周波電力の切り替えを検出する場合、前記送電装置に伝送する信号の内容に基づいて、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させる伝送信号制御回路と、を有し、前記送電装置は、前記入力インピーダンスの変化を検出して、前記信号の内容を取得する信号取得部と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、受電装置は、送電装置での高周波電力の切り替えをトリガーとして、信号を送電装置へ出力する。すなわち、送電装置は、受電装置側から信号が送られるタイミングを把握できる。このため、送電装置は、常時、サンプリング処理を行っておく必要がなく、消費電力を削減できる。また、送電装置は、信号の伝送タイミングが分かるため、確実に信号を検出できる。

前記送電回路は、前記送電コイルへの高周波電力の供給を停止して、前記高周波電力の切り替えを行い、前記切替検出回路は、高周波電力の供給の停止を検出する構成でもよい。

この構成によれば、送電装置が信号を伝送するトリガーとなる信号を容易に生成できる。

前記送電コイルへの高周波電力の供給の停止は、瞬停であってもよい。

この構成によれば、短い時間の高周波電力の供給の停止をトリガーとすることができる。

前記信号取得部は、前記送電回路が前記高周波電力の切り替えを行ってから所定時間経過後に、前記入力インピーダンスの変化を検出してもよい。

高周波電力の切り替えを行った直後は、入力インピーダンスを精度よく検出できないことがあるため、前記構成によれば、その期間が経過してから入力インピーダンスの変化を検出（サンプリング）することで、不要なサンプリング処理をなくすことができる。

本発明によれば、送電装置は、常時、サンプリング処理を行っておく必要がなく、消費電力を削減できる。また、送電装置は、信号の伝送タイミングが分かるため、確実に信号を検出できる。

図１は、実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。図２は、受電装置から送電装置へ信号を伝送するタイミングを説明するための図である。図３は、送電装置で実行される処理のフローチャートである。図４は、受電装置で実行される処理のフローチャートである。

図１は、本実施形態に係るワイヤレス電力送電装置、ワイヤレス電力受電装置、およびそれらで構成されるワイヤレス給電システムの回路図である。

ワイヤレス給電システム３０１は、ワイヤレス電力送電装置１０１とワイヤレス電力受電装置２０１とで構成される。ワイヤレス電力送電装置１０１は、以降、単に「送電装置」という。また、ワイヤレス電力受電装置２０１は、以降、単に「受電装置」という。本実施形態に係るワイヤレス給電システム３０１は、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送と、受電装置２０１から送電装置１０１への信号の伝送とが可能である。

送電装置１０１は送電共振回路１１と送電回路１２とを有する。

送電共振回路１１は、送電コイル１０と共振キャパシタＣ１０とを有する。

送電回路１２は、送電共振回路１１の送電コイル１０に高周波電力を供給する。送電回路１２は、スイッチ回路１３、制御回路１４、電流検出抵抗Ｒ１、キャパシタＣ１１を備える。制御回路１４はスイッチ回路１３をオン／オフ駆動する。スイッチ回路１３がスイッチング制御されることで、送電共振回路１１には共振電流が流れる。送電共振回路１１の共振周波数は給電用に適した周波数である。例えば６ＭＨｚ以上１４ＭＨｚ以下の周波数、特に例えばＩＳＭバンドの一つである６．７８ＭＨｚである。

電流検出抵抗Ｒ１には、入力電源Ｅから送電回路１２に供給される直流入力電流ｉｄｃが流れる。制御回路１４は電流検出抵抗Ｒ１による降下電圧を読み取ることによって、入力電源Ｅから供給される直流入力電流ｉｄｃを検出する。

キャパシタＣ１１は入力電圧を安定化し、また、電圧と電流の高調波成分を抑制する。

受電装置２０１は、受電共振回路２１と、受電回路２２とを有する。さらに受電装置２０１には負荷回路２３が接続される。負荷回路２３は、受電回路２２が変換した直流電力を消費する、例えば充電池等である。

受電共振回路２１は、送電コイル１０に対して磁界結合する受電コイル２０と、共振キャパシタＣ２１およびスイッチ素子Ｑ２の直列回路２４とを有する。直列回路２４は、受電コイル２０に並列接続されている。受電コイル２０は、送電コイル１０と電磁界結合する。

この電磁界結合では、磁気結合、電界結合またはこれらの複合によって、離れて位置する送電共振回路１１と受電共振回路２１とが相互に作用し、それぞれの共振回路が有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが互いに合わさって交換され、振動が発生する。送電共振回路１１では、主に送電コイル１０と共振キャパシタＣ１０との間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが互いに交換され、電気的な振動が発生する。受電共振回路２１では、主に受電コイル２０と共振キャパシタＣ２１の間において、それぞれが有する磁界エネルギーと電界エネルギーとが互いに交換され、電気的な振動が発生する。これらが電磁界共鳴条件を満たすことで電磁界共鳴が成立する。

直列回路２４のスイッチ素子Ｑ２は、後述の伝送信号制御回路２７により、送電装置１０１へ伝送する信号に基づいて、オンオフ制御される。スイッチ素子Ｑ２がオン状態であるとき、共振キャパシタＣ２１のキャパシタンスと受電コイル２０のインダクタンスとで受電共振回路２１の共振周波数ｆ０が定まる。スイッチ素子Ｑ２がオフ状態であるとき、受電共振回路２１の共振周波数は、共振周波数ｆ０からずれる。つまり、スイッチ素子Ｑ２のオンオフ状態を切り替えることで、送電装置１０１から受電装置２０１側を視たときの入力インピーダンスは変化する。

送電装置１０１側で、制御回路１４によって検出される直流入力電流ｉｄｃは、入力電源Ｅから送電共振回路１１への供給電流であるので、受電装置２０１側の負荷（入力インピーダンス）の変化に伴い変化する。制御回路１４は、検出する直流入力電流ｉｄｃと閾値とを比較して、“１”、“０”を取得（サンプリング）する。制御回路１４は、このサンプリングにより、受電装置２０１から伝送される信号を読み取る。制御回路１４は、本発明に係る「信号取得部」の一例である。

受電回路２２は、受電コイル２０が受ける高周波電力を直流電力に変換する。受電回路２２は、整流回路２５と、キャパシタＣ２２と、電圧検出回路２６と、伝送信号制御回路２７と、リセットＩＣ２８とを有している。

整流回路２５は、受電共振回路２１の共振電圧を整流する。キャパシタＣ２２は、その整流された電圧を平滑する。電圧検出回路２６は受電回路２２の出力電圧（負荷回路２３への供給電圧）を検出する。伝送信号制御回路２７は、送電装置１０１へ伝送する信号に基づいて、スイッチ素子Ｑ２のオンオフ状態を切り替える。このことによって、上記受電共振回路２１の共振周波数を切り替えて、送電装置１０１側へ信号を伝送する。

ここで、送電装置１０１へ伝送する信号の内容としては、例えば、充電池である負荷回路２３の充電情報（満充電であるか否か）、負荷回路２３の異常の有無、電圧検出回路２６が検出する出力電圧の異常の有無、などがある。このような信号が伝送された送電装置１０１は、受電装置２０１への電力伝送を停止または制限するなどの処理を行う。

リセットＩＣ２８は、受電装置２０１の電源ラインの電圧レベルを検出する。リセットＩＣ２８は、例えば電力伝送の瞬停や瞬断、電力伝送する高周波電力の値の急減少などにより、電源ラインの電圧レベルが閾値Ｔｈよりも低下すると、Ｌレベルの信号を伝送信号制御回路２７へ出力する。伝送信号制御回路２７は、リセットＩＣ２８からＬレベルの信号を受けると、スイッチ素子Ｑ２のオンオフ状態を切り替えて入力インピーダンスを変化させる。つまり、リセットＩＣ２８からのＬレベルの信号は、受電装置２０１から送電装置１０１への信号の伝送開始のトリガーである。

特に、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送が瞬停や瞬断などにより停止されると、受電装置２０１の電源ラインの電圧レベルはより早く低下する。リセットＩＣ２８は、電圧レベルの低下を検知して、Ｌレベルの信号を出力する。つまり、受電装置２０１は、送電装置１０１からの電力伝送による電力の供給の停止を検出し、停止をトリガーとして、送電装置１０１への信号の伝送を開始する。

リセットＩＣ２８は、本発明に係る「切替検出回路」の一例である。

なお、伝送信号制御回路２７、およびリセットＩＣ２８を設ける位置は、図１に示す位置でなくてもよい。例えば、リセットＩＣ２８は整流回路２５の後段（負荷回路２３側）に設けてもよい。

以下に、受電装置２０１から送電装置１０１への信号の伝送について詳述する。

図２は、受電装置２０１から送電装置１０１へ信号を伝送するタイミングを説明するための図である。

送電装置１０１では、制御回路１４がスイッチ回路１３をスイッチング制御することで、送電共振回路１１に共振電流が流れる。そして、送電共振回路１１と受電共振回路２１とが電磁界結合して、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送が行われる。この電力伝送を行いつつ、送電装置１０１は、所定時間毎（例えば１０秒毎）に、受電装置２０１に対して信号の伝送を要求する。

信号の伝送を要求する場合、送電装置１０１は、時間Ｔ１の瞬停を起こす。つまり、制御回路１４は、スイッチ回路１３のスイッチング制御を停止して、電力伝送を停止する。そうすると、時間の経過に伴い、直流入力電流ｉｄｃは低下する。

送電装置１０１で瞬停が起こり、送電装置１０１からの電力伝送が停止すると、受電装置２０１の受電コイル２０には電圧が誘起されない。そして、直流入力電流ｉｄｃの低下に伴い、受電装置２０１の電源ラインの電圧レベルも低下する。リセットＩＣ２８は、電圧レベルが閾値Ｔｈを下回ることを検出すると、Ｌレベルの信号を出力する。

受電装置２０１では、伝送信号制御回路２７は、リセットＩＣ２８からＬレベルの信号を受けてから時間（Ｔ１＋Ｔ２）経過後に、スイッチ素子Ｑ２のオンオフ制御を所定時間行う。これにより、入力インピーダンスが変化し、送電装置１０１へ、“１”、“０”の信号を伝送する。

一方、送電装置１０１では、瞬停開始後、時間（Ｔ１＋Ｔ２）経過後、つまり、時間Ｔ１の瞬停が終了してから時間Ｔ２待機した後、制御回路１４は、サンプリング処理を開始する。つまり、制御回路１４は直流入力電流ｉｄｃを検出し、閾値と比較して得られる“１”、“０”から、受電装置２０１から伝送される信号を読み取る。

なお、サンプリング処理を行う時間は、受電装置２０１が行う信号の伝送処理時間と共に、予め設定されている。

このように、受電装置２０１は、送電装置１０１による瞬停をトリガーとして、信号の伝送を開始する。このため、送電装置１０１は、受電装置２０１が信号を伝送するタイミングが把握できるため、それに合わせてサンプリング処理を行うことができる。その結果、送電装置１０１では、常時サンプリング処理を行う必要がなく、無駄な消費電力を削減できる。また、送電装置１０１による瞬停を、信号の伝送開始のトリガーとすることで、そのトリガーを容易に生成できる。

さらに、送電装置１０１は、瞬停開始してから一定時間（Ｔ１＋Ｔ２）経過後に、サンプリング処理を開始する。受電装置２０１は、瞬停により、電源ラインの電圧レベルが閾値Ｔｈを下回ってから（リセットＩＣ２８がＬレベルの信号を出力してから）、一定時間（Ｔ１＋Ｔ２）経過後に、スイッチ素子Ｑ２をオンオフして、信号の伝送を開始している。つまり、送電装置１０１がサンプリング処理を開始するタイミングは、受電装置２０１が信号の伝送を開始するタイミングよりも早い。このため、送電装置１０１が、伝送される信号を検出し損なうことを防止できる。

図３は、送電装置１０１で実行される処理のフローチャートである。

送電装置１０１は、制御回路１４がスイッチ回路１３をスイッチング制御して、電力伝送を行う（Ｓ１）。制御回路１４は、直前の瞬停処理から、所定時間（例えば１０秒）経過したか否かを判定する（Ｓ２）。所定時間経過していない場合（Ｓ２：ＮＯ）、制御回路１４は所定時間経過するまで待機する。所定時間経過した場合（Ｓ２：ＹＥＳ）、制御回路１４は、スイッチ回路１３のスイッチング制御を停止して、時間Ｔ１の間、電力伝送を停止（瞬停）する（Ｓ３）。制御回路１４は、時間Ｔ２待機した後（Ｓ４）、直流入力電流ｉｄｃを検出し、閾値と比較して得られる“１”、“０”から、受電装置２０１から伝送される信号を読み取るサンプリング処理を行う（Ｓ５）。

送電装置１０１はサンプリング処理をした結果得られる信号の内容に基づいて、受電装置２０１への電力伝送を停止または制限するなどの処理を行う。

図４は、受電装置２０１で実行される処理のフローチャートである。

受電装置２０１は、送電装置１０１から伝送される電力の受電処理を行う（Ｓ１１）。伝送信号制御回路２７は、リセットＩＣ２８からＬレベルの信号（リセット信号）を受信したか否かを判定する（Ｓ１２）。前記のように、リセットＩＣ２８は、電源ラインの電圧レベルが閾値Ｔｈを下回ると、Ｌレベルの信号を出力する。

リセットＩＣ２８からリセット信号を受信しない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、受電装置２０１は、送電装置１０１から伝送される電力の受電処理を行う（Ｓ１１）。リセットＩＣ２８からリセット信号を受信した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、伝送信号制御回路２７は、時間（Ｔ１＋Ｔ２）待機した後（Ｓ１３）、スイッチ素子Ｑ２をスイッチング制御する（Ｓ１４）。このスイッチング制御は、送電装置１０１へ伝送する信号に基づいて行われる。

なお、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。

Ｃ１０…共振キャパシタ
Ｃ１１…キャパシタ
Ｃ２１…共振キャパシタ
Ｃ２２…キャパシタ
ｉｄｃ…直流入力電流
Ｑ２…スイッチ素子
Ｒ１…電流検出抵抗
１０…送電コイル
１１…送電共振回路
１２…送電回路
１３…スイッチ回路
１４…制御回路
１９…送電共振回路
２０…受電コイル
２１…受電共振回路
２２…受電回路
２３…負荷回路
２４…直列回路
２５…整流回路
２６…電圧検出回路
２７…伝送信号制御回路
２８…リセットＩＣ
２９…受電共振回路
１０１…ワイヤレス電力送電装置
２０１…ワイヤレス電力受電装置
３０１…ワイヤレス給電システム

Claims

送電コイルと、前記送電コイルに高周波電力を供給する送電回路と、を有する送電装置と、
前記送電コイルに対して電磁界結合する受電コイルと、前記受電コイルが受ける高周波電力を直流電力に変換する受電回路とを有し、前記直流電力を消費する負荷回路に接続される受電装置と、を備え、
前記送電装置の前記送電回路は、前記送電コイルに供給する高周波電力を切り替え、
前記受電装置は、
前記送電回路による高周波電力の切り替えを検出する切替検出回路と、
前記切替検出回路が前記高周波電力の切り替えを検出する場合、前記送電装置に伝送する信号の内容に基づいて、前記送電回路から前記負荷回路側をみた入力インピーダンスを変化させる伝送信号制御回路と、
を有し、
前記送電装置は、
前記入力インピーダンスの変化を検出して、前記信号の内容を取得する信号取得部と、
を有する、ワイヤレス給電システム。
前記送電回路は、前記送電コイルへの高周波電力の供給を停止して、前記高周波電力の切り替えを行い、
前記切替検出回路は、高周波電力の供給の停止を検出する、
請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
前記送電コイルへの高周波電力の供給の停止は、瞬停である、
請求項２に記載のワイヤレス給電システム。
前記信号取得部は、
前記送電回路が前記高周波電力の切り替えを行ってから所定時間経過後に、前記入力インピーダンスの変化を検出する、
請求項１から請求項３に記載のワイヤレス給電システム。