JP2018186646A - ワイヤレス電力伝送システム、およびワイヤレス電力伝送システムの保護方法 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなワイヤレス電力伝送システムでは、定常的にデータ作成処理や通信処理による制御の遅延が発生する。更に、他の無線通信機器からの干渉や電磁ノイズ等により、通信データが遅延または欠落し、通信周期が変動する。この制御の遅延を考慮して、インバータ回路を制御するエラーアンプの時定数は、通信周期より長く設定されるとよい。しかし、予期された整流電圧の変動(上位システムからの指示に伴う電圧変動)だとしても整流電圧が所定電圧の範囲を超えた場合には保護動作するという問題がある。
そこで、本発明は、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、予期された整流電圧の変動に対しては保護動作を行わないことを課題とする。
前記給電装置は、ワイヤレスで電力を送信する給電コイルと、前記給電コイルを駆動するインバータと、前記受電装置と無線通信する第1の無線ユニットと、前記第1の無線ユニットと前記インバータとを制御する第1のプロセッサとを備える。
前記受電装置は、前記給電装置の前記給電コイルからワイヤレスで電力を受信する受電コイルおよびコンデンサを含み、共鳴電圧を発生する共鳴回路と、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、前記整流電圧によって駆動される負荷と、前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットと無線通信する第2の無線ユニットと、前記負荷と前記第2の無線ユニットを制御する第2のプロセッサとを備える。
前記第2のプロセッサは、前記整流電圧を元に整流電圧値の情報を生成すると共に、前記整流電圧値の変動が予期されたものであるか否かを示す変動情報をセットまたはクリアして、前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットに、前記整流電圧値と前記変動情報を含む情報を送信する。
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。
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を示す構成図である。
ワイヤレス電力伝送システムSは、給電装置1が受電装置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。
なお、無線ユニット16と無線ユニット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。
プロセッサ17は、給電装置1の上位システムである操作スイッチやタッチパネル等で構成される操作部19から操作情報を取得する。プロセッサ17は、操作部19から取得した操作情報を、無線ユニット16を介して受電装置2に送信する。これによりユーザは、負荷29を操作することができる。この負荷29とは、例えばLED(light emitting diode)照明である。
更にプロセッサ17は、給電装置1の上位システムである液晶ディスプレイやスピーカ等で構成される報知部10にアラームを出力する。これにより、ワイヤレス給電に係るエラーをユーザに報知することができる。
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平滑コンデンサ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、分圧回路24、降圧回路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。
無線ユニット26(第2の無線ユニット)は、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。プロセッサ27(第2のプロセッサ)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。更にプロセッサ27は、検出電圧V3を計測して整流電圧情報を生成し、この整流電圧情報を無線ユニット26によって給電装置1に送信する。更にプロセッサ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。
プロセッサ27は更に、給電装置1の操作部19から入力された操作情報を、無線ユニット26を介して受信し、この操作情報に基づきDC/DCコンバータ23や負荷29を制御する。
分圧回路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、無線モジュールM2のプロセッサ27に印加する。
制御回路11は、降圧回路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。
この積分回路は、抵抗R7の他端に初期駆動制御信号Ssが入力されたとき、基準電圧Vref1と初期駆動制御信号Ssとの電位差を積分した出力信号SsCを出力する。この積分回路は、初期駆動制御信号Ssが基準電圧Vref1と等しくなるように積分時定数τsをもって制御する。初期駆動制御信号Ssは、初期電圧制御回路13の初期電圧設定回路14から入力される。
この積分回路は、抵抗R6の他端に制御信号S1が入力されたとき、基準電圧Vref2と制御信号S1の電位差を積分した出力信号S1Cを出力する。この積分回路は、制御信号S1が基準電圧Vref2と等しくなるように積分時定数τ1をもって制御する。制御信号S1は、無線モジュールM1のプロセッサ17から入力される。なお、これらオペアンプ112,113はコレクタ出力であり、それぞれの出力端子が接続されている。
発振回路116は、抵抗R5とコンデンサC3とに接続されて発振し、三角波を出力する。
図3に示すワイヤレス電力伝送システムSは、図1に示した各部を模式化して示したものである。ワイヤレス電力伝送システムSは、給電装置1と受電装置2を含んで構成される。
給電装置1は、直流電源18、オペアンプ113、ロジック回路115、インバータ回路12、給電コイルL1、無線モジュールM1、降圧回路Re1、操作部19、報知部10を含んで構成される。なお、無線モジュールM1は、“BLEモジュール”と記載されている。なおプロセッサ17は、入出力回路171やD/Aコンバータ172を含んでいてもよい。
無線モジュールM1は、プロセッサ17、無線ユニット16、入出力回路171、D/Aコンバータ172を備える。プロセッサ17は、この無線モジュールM1を統括制御する。入出力回路171は、操作部19から操作情報を取得し、報知部10にアラームを出力する。D/Aコンバータ172は、オペアンプ113にアナログの制御信号S1を出力する。
無線モジュールM2は、プロセッサ27、無線ユニット26、入出力回路271、A/Dコンバータ272、閾値テーブル273を備える。閾値テーブル273は、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)などに格納されたテーブルである。この閾値テーブル273には、操作情報や受電側の変化と、負荷変動が発生するか否かと、負荷変動時における変動カウンタの閾値との対応が格納されている。ここで負荷変動とは、負荷29の駆動に伴い整流電圧が変動することをいう。分圧回路24は、整流電圧Vaを分圧する分圧抵抗である。分圧回路24は、整流電圧Vaを分圧した検出電圧V3を、無線モジュールM2のA/Dコンバータ272に出力する。なおプロセッサ27は、入出力回路271やA/Dコンバータ272を含んでいてもよい。
給電装置1のインバータ回路12は、給電コイルL1を駆動する。受電装置2は、電磁誘導により受電コイルL2で電力が発生する。この電力は整流回路22で整流された整流電圧Vaとなったのち、分圧回路24で分圧されて検出電圧V3となり、定期的にA/Dコンバータ272で測定される。受電装置2のプロセッサ27は、無線ユニット26により、A/Dコンバータ272で測定した検出電圧V3を給電装置1に送信する。
給電装置1のプロセッサ17は、整流電圧値が所定期間に亘って所定電圧の範囲(例えば、12V±10%)を外れると保護動作のためにインバータ回路12を停止させて、かつ報知部10にアラームを出力する。
受電装置2のプロセッサ27が起動すると、図4と図5に示す処理が開始する。
プロセッサ27は、周期タイマが完了したならば(ステップS10→Yes)、A/Dコンバータ272から検出電圧V3をデジタル変換したA/D変換データを取得し、更に変動フラグを取得する(ステップS11)。本実施形態の周期タイマは、7.5ミリ秒毎に完了する。なお、図4ではA/Dコンバータ272のことを“ADC”、A/D変換データのことを“ADCデータ”と省略記載している。変動フラグ(変動情報の一例)とは、整流電圧値の変動が予期されたものであるか否かを示す1ビットのフラグである。
プロセッサ27は、このA/D変換データから整流電圧値の情報を生成し、整流電圧値と変動フラグから送信データを作成し(ステップS12)、無線ユニット26を介して送信する(ステップS13)。その後プロセッサ27は、ステップS14の処理に進む。この周期タイマは、受電装置2が給電装置1に整流電圧値と変動フラグを含む送信データを送信する周期を決定するものである。
ステップS10においてプロセッサ27は、周期タイマが完了していないならば(ステップS10→No)、ステップS14の処理に進む。
ステップS14においてプロセッサ27は、負荷部25の操作情報を含む通信データを受信していないならば(No)、ステップS19の処理に進む。
なお、受電装置2が予期する負荷変動であっても、例えばLED負荷をスロースタートさせる際には、1秒程度に亘って電圧降下が発生する。よって、長期間に亘って電圧を監視できなくなることを防ぐため、プロセッサ27は、変動フラグに1をセットしない。
更にプロセッサ27は、変動カウンタが閾値H1に達してカウント完了したならば(ステップS24→Yes)、この変動カウンタを0でクリア(初期化)する(ステップS25)。その後、プロセッサ27は、変動フラグをクリアして(ステップS26)、ステップS10の処理に戻る。ステップS24においてプロセッサ27は、変動カウンタが閾値H1に達しておらず、カウント完了していなければ(No)、ステップS10の処理に戻る。
受電装置2が予期しない負荷変動の場合には、変動フラグはクリアされている。受電装置2が予期しない負荷変動とは、例えば給電装置1側の電源電圧変動、受電コイルL2と給電コイルL1との間隔の変動などである。そのため、受電装置2は、変動フラグによって、負荷変動とその変動期間が予期されたものであるか否かを給電装置1に示すことができる。
閾値テーブル273は、給電側操作/受電側変化欄、負荷変動発生欄、閾値欄を含んで構成される。給電側操作/受電側変化欄は、給電側の操作または受電側の変化を示す。負荷変動発生欄は、負荷変動が発生するか否かを示す。閾値欄は、負荷変動時における変動カウンタの閾値を示す。
給電側の操作または受電側の変化が、LED電源(負荷29)のオンであった場合には、負荷変動が発生し、その際の変動カウンタの閾値は12である。つまり、給電側の操作がLED電源のオンであった場合、90ミリ秒に亘って変動フラグがセットされる。
給電側の操作または受電側の変化が、LED電源のオフであった場合には、負荷変動が発生し、その際の変動カウンタの閾値は10である。つまり、給電側の操作がLED電源のオフであった場合、75ミリ秒に亘って変動フラグがセットされる。
給電側の操作または受電側の変化が、調光であり、かつ光量が−10%であった場合には、負荷変動が発生し、その際の変動カウンタの閾値は5である。つまり、給電側の操作が光量−10%の調光であった場合、37.5ミリ秒に亘って変動フラグがセットされる。
給電側の操作または受電側の変化が、調色であった場合には、負荷変動が発生しない。つまり、給電側の操作が調色であった場合、変動フラグはクリアされたままである。
受電側のプロセッサ27は、給電装置1側の操作情報に応じて負荷29を制御する。プロセッサ27は、この閾値テーブル273に基づき、負荷29の制御による負荷変動が予測される場合には、予め定められた期間に亘って前記変動情報をセットすることができる。
給電装置1のプロセッサ17が起動すると、図7と図8に示す処理が開始する。
プロセッサ17は、無線ユニット16を介して通信データを受信したならば(ステップS30→Yes)、この通信データから整流電圧値と変動フラグとを取得する(ステップS31)。更にプロセッサ17は、整流電圧値をD/Aコンバータ172に設定し(ステップS32)、ステップS33の処理に進む。なお、この通信データは、所定周期で受電装置2から送信される。
ステップS30においてプロセッサ17は、無線ユニット16を介して通信データを受信しなかったならば(No)、ステップS33の処理に進む。
ステップS33においてプロセッサ27は、操作部19が操作指示を検知しなかったならば(No)、ステップS37の処理に進む。
ステップS39においてプロセッサ17は、範囲外拡大カウンタが閾値H3に達していないならば(No)、ステップS42の処理に進む。
ステップS37においてプロセッサ17は、整流電圧値が所定電圧の範囲外かつ整流電圧値と目標値との差が拡大し続けていないならば(No)、範囲外拡大カウンタをクリアし(ステップS41)、ステップS42の処理に進む。
ステップS43においてプロセッサ17は、変動フラグに1がセットされていなければ(No)、ステップS44の処理に進み、整流電圧値が所定電圧の範囲外であるか否かを判断する。
このように、範囲外カウンタが閾値H2に達した例を、後記する図10に示す。
ステップS47においてプロセッサ17は、範囲外カウンタが閾値H2に達していないならば(No)、ステップS49の処理に進む。
ステップS44においてプロセッサ17は、整流電圧値が所定電圧の範囲外でないならば(No)、範囲外カウンタをクリアし(ステップS46)、ステップS49の処理に進む。
ステップS49においてプロセッサ17は、アラームフラグに1がセットされていなければ(No)、ステップS30の処理に戻り、インバータ回路12の駆動を継続する。
時刻t1において、給電装置1の操作部19が操作される。この操作とは、例えば負荷部25をオンする操作である。これにより、受電装置2のプロセッサ27は、変動フラグを1にセットし、変動カウンタのカウントを開始する。
時刻t3において、整流電圧Vaが所定電圧の範囲を外れているが、一つ前の周期よりも目標値との差が縮小しつつあるので、プロセッサ17は、範囲外拡大カウンタをクリアする。
時刻t4において、整流電圧Vaが所定電圧の範囲を外れ、かつ一つ前の周期よりも目標値との差が拡大しているので、プロセッサ17は、範囲外拡大カウンタのカウントを開始する。
時刻t5において、整流電圧Vaが所定電圧の範囲を外れているが、一つ前の周期よりも目標値との差が縮小しつつあるので、範囲外拡大カウンタがクリアされる。
時刻t10において、給電装置1の操作部19が操作される。この操作とは、例えば負荷部25をオンする操作である。これにより、受電装置2のプロセッサ27は、変動フラグを1にセットし、変動カウンタのカウントを開始する。
時刻t12において、整流電圧Vaが所定電圧の範囲を外れたままであり、範囲外カウンタが閾値H2に達してカウント完了するので、プロセッサ17は、アラームフラグに1をセットして、保護動作のためワイヤレス給電を停止する。これにより、報知部10はユーザにアラームを報知する。期間P2は、範囲外カウンタと閾値H2の組合せによって決定される。
時刻t20において、給電装置1の操作部19が操作される。この操作とは、例えば負荷部25をオンする操作である。これにより、受電装置2のプロセッサ27は、変動フラグを1にセットし、変動カウンタのカウントを開始する。
時刻t22において、プロセッサ17は、範囲外拡大カウンタが閾値H3に達してカウント完了する。範囲外拡大カウンタのカウント完了により、プロセッサ17は、アラームフラグに1をセットして、保護動作のためワイヤレス給電を停止する。これにより、報知部10はユーザにアラームを報知する。期間P3は、範囲外拡大カウンタと閾値H3の組合せによって決定される。
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)〜(k)のようなものがある。
(a) 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) 給電装置1の上位システム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を直接に制御してもよい。
(c) 給電装置1と受電装置2との間の無線通信プロトコルは、Bluetooth(登録商標) Low Energyに限定されず、Wi-Fi(登録商標)やZIGBEE(登録商標)などであってもよい。
(d) 給電装置1と受電装置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。
(e) フィードバック制御は、上記実施形態に示した比例制御(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。
(f) 負荷変動を受電装置2から給電装置1に通知する方法は、1ビットの変動フラグに限定されない。受電装置2は、任意のビット幅の変動情報によって、負荷変動を給電装置1に通知してもよい。
(g) 制御回路11が備える積分回路の代わりに、デジタルシグナルプロセッサを用いて積分処理を行ってもよい。
(h) 閾値テーブル273は、EEPROMなどに格納されていなくてもよく、給電装置1の上位システムからのデータ送信により、閾値の値を変更してもよい。
(i) 目標値は12Vに限られず、所定電圧の範囲は、12V±10%に限られない。例えば、所定電圧の範囲は、目標値を含んでいればよく、限定されない。
(j) 保護動作は、給電装置1のインバータの回路12の停止に限定されず、初期電圧設定解除回路15のトランジスタQ5をオフさせて、ワイヤレス給電をアイドル状態に移行してもよい。
(k) 図8のステップS50において給電装置1がワイヤレス給電を停止する前に、受電装置2にアラーム情報を無線送信し、受電装置2がDC/DCコンバータ23をオフするとともに入出力回路271から受電装置2の上位システムにアラームを出力してもよい。
1 給電装置
10 報知部
11 制御回路
111 降圧回路
112,113 オペアンプ
114 比較器
115 ロジック回路
116 発振回路
R5〜R7 抵抗
C3〜C5 コンデンサ
12 インバータ回路
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 無線モジュール
16 無線ユニット (第1の無線ユニットの一例)
17 プロセッサ (第1のプロセッサの一例)
171 入出力回路
172 D/Aコンバータ
18 直流電源
19 操作部
L1 給電コイル
Re1,Re2 降圧回路
2 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 平滑コンデンサ
23 DC/DCコンバータ(直流変換回路)
24 分圧回路
25 負荷部
M2 無線モジュール
26 無線ユニット (第2の無線ユニットの一例)
27 プロセッサ (第2のプロセッサの一例)
271 入出力回路
272 A/Dコンバータ
28 2次側電源部
29 負荷
Claims (7)
- 給電装置および受電装置を備えるワイヤレス電力伝送システムであって、
前記給電装置は、
ワイヤレスで電力を送信する給電コイルと、
前記給電コイルを駆動するインバータと、
前記受電装置と無線通信する第1の無線ユニットと、
前記第1の無線ユニットと前記インバータとを制御する第1のプロセッサと、
を備え、
前記受電装置は、
前記給電装置の前記給電コイルからワイヤレスで電力を受信する受電コイルおよびコンデンサを含み、共鳴電圧を発生する共鳴回路と、
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、
前記整流電圧によって駆動される負荷と、
前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットと無線通信する第2の無線ユニットと、
前記負荷と前記第2の無線ユニットを制御する第2のプロセッサと、
を備え、
前記第2のプロセッサは、前記整流電圧を元に整流電圧値の情報を生成すると共に、前記整流電圧値の変動が予期されたものであるか否かを示す変動情報をセットまたはクリアして、前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットに、前記整流電圧値と前記変動情報を含む情報を送信する、
ことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。 - 前記給電装置が備える前記第1のプロセッサは、前記受電装置から受信した変動情報がセットされている場合には前記インバータの制御を継続し、前記受電装置から受信した変動情報がクリアされている場合には、前記整流電圧に係る整流電圧値が所定期間に亘って所定電圧範囲を外れると保護動作させる、
ことを特徴とする請求項1に記載のワイヤレス電力伝送システム。 - 前記給電装置は更に、前記負荷の操作情報を入力する操作部を備え、
前記給電装置が備える前記第1のプロセッサは、前記第1の無線ユニットにより、前記操作部から入力された操作情報を前記第2の無線ユニットに送信し、
前記受電装置が備える前記第2のプロセッサは、前記第2の無線ユニットが受信した操作情報に応じて前記負荷を制御すると共に、当該負荷の変動が予測される制御である場合には、予め定められた期間に亘って前記変動情報をセットする、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤレス電力伝送システム。 - 前記受電装置が備える前記第2のプロセッサは、前記負荷の変動が予測される場合には、予め定められた期間に亘って前記変動情報をセットする、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のワイヤレス電力伝送システム。 - 前記給電装置が備える前記第1のプロセッサは、前記第2の無線ユニットから受信した整流電圧値とフィードバックの目標値との差が所定期間に亘って拡大し続けた場合には保護動作させる、
ことを特徴とする請求項1ないし3のうちいずれか1項にワイヤレス電力伝送システム。 - 前記変動情報は、1ビットのフラグである、
ことを特徴とする請求項1ないし5のうちいずれか1項に記載のワイヤレス電力伝送システム。 - 給電装置および受電装置を備えるワイヤレス電力伝送システムの保護方法であって、
前記給電装置は、
ワイヤレスで電力を送信する給電コイルと、
前記給電コイルを駆動するインバータと、
前記受電装置と無線通信する第1の無線ユニットと、
前記第1の無線ユニットと前記インバータとを制御する第1のプロセッサと、
を備え、
前記受電装置は、
前記給電装置の前記給電コイルからワイヤレスで電力を受信する受電コイルおよびコンデンサを含み、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、
前記整流電圧によって駆動される負荷と、
前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットと無線通信する第2の無線ユニットと、
前記負荷と前記第2の無線ユニットを制御する第2のプロセッサと、
を備え、
前記第2のプロセッサが前記整流電圧を元に整流電圧値の情報を生成するステップと、
前記整流電圧値の変動が予期されたものであるか否かを示す変動情報をセットまたはクリアするステップと、
前記給電装置が備える前記第1の無線ユニットに、前記整流電圧値と前記変動情報を含む情報を送信するステップと、
を実行し、
前記第1のプロセッサが前記第2の無線ユニットから受信した変動情報がセットされている場合には前記インバータの制御を継続し、前記第2の無線ユニットから受信した変動情報がセットされておらず、かつ前記整流電圧に係る整流電圧値が所定期間に亘って所定電圧範囲を外れていた場合には保護動作させるステップを実行する、
ことを特徴とするワイヤレス電力伝送システムの保護方法。
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