JP2019071705A - ワイヤレス給電システム、ワイヤレス給電装置、およびワイヤレス受電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の位置ずれ、受電側の急峻な負荷変動などによる、受電側の入力電圧の低下及び上昇を低減させることを可能とした、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の受電装置であって、電磁誘導もしくは磁界共鳴によって、送電コイルからの電力を受電する受電コイル１１１と、受電コイルのＱ値を適正に整合するＱ値整合回路２０２と、受電装置が有する受電コイルが受電した交流電力を整流する整流平滑回路と、整流平滑回路が供給する電圧で二次電池へ充電を行う充電回路と、整流回路が出力する電圧を検出する電圧検出回路と、を有する。整流平滑回路が供給する電圧が、規定電圧以下となるようにＱ値整合回路を調節する。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電システム技術に関し、特に受電側の電圧安定制御技術に関するものである。

従来の電磁誘導方式もしくは、磁界共鳴方式のワイヤレス給電システムの構成を図７に示す。送電装置301から、送電コイル311、受電コイル111を経由して、受電装置101にワイヤレス給電を行う。送電コイル311に交流電流を流し、送電コイル311周辺に電界、もしくは磁界を発生させる。受電コイル111がその電界、もしくは磁界からエネルギーを受電して、ワイヤレス給電を実現する。

本発明は、電磁誘導方式、磁界共鳴方式、どちらの方式にも適応可能であり、有益である。受電コイル111と共振コンデンサ202で、高効率で電力が供給できるように共振回路を構成している。受電コイル111に正弦波の電流が流れ、交流電圧が発生する。この交流電圧を受電整流平滑回路112で整流すると直流電圧が得られる。整流された電圧を整流電圧131とする。送電コイル311と、受電コイル111の位置ずれによって、受電整流平滑回路112で整流された整流電圧131は、４０Ｖ近く上昇する。

そのため、受電整流平滑回路112で整流された整流電圧131を、安定化して充電回路117に供給する必要があった。 例えば、特許文献１では、定電圧レギュレーター（ＬｏｗＤｒｏｐＯｕｔ、以下ＬＤＯ）を使用して、受電側で整流された不安定な電圧を、安定して充電回路117に供給する構成が開示されている。

特開２０１４−８２８６４号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術のように、一般的なＬＤＯで電圧安定化させる場合、受電側の急峻な負荷変動などによる、受電側の入力電圧の過渡的な低下及び上昇において、受電側の充電回路117に、常に一定の安定度で電圧を供給することが困難であった。

そのため、市場で発売されているワイヤレス給電に関しては、電子機器の動作時の給電には使われず、充電に特化しているものが多い。しかし、デジタルカメラなどの電子機器は、ワイヤレス給電時に駆動装置、撮像装置、表示装置などを動作したいという要求が高まっている。そのためには、受電側の急峻な負荷変動に対して、安定した電圧を充電回路に供給する必要があった。

そこで、本発明の目的は、ワイヤレス給電技術に関して、装置の位置ずれ、受電側の急峻な負荷変動などによる、受電側の入力電圧の低下及び上昇を低減させることを可能とした、ワイヤレス給電システムを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、ワイヤレス給電システムの受電装置であって、
電磁誘導もしくは磁界共鳴によって、送電コイルからの電力を受電する受電コイルと、
受電コイルのＱ値を適正に整合するＱ値整合回路と、
受電装置が有する受電コイルが受電した交流電力を整流する整流平滑回路と、
整流平滑回路が供給する電圧で二次電池へ充電を行う充電回路と、
前記整流回路が出力する電圧を検出する電圧検出回路と、
を有し、
整流平滑回路が供給する電圧が、規定電圧以下となるように前記Ｑ値整合回路を調節する
ことを特徴とする。

本発明によれば、ワイヤレス給電技術に関して、装置の位置ずれ、受電側の急峻な負荷変動などによる、受電側の入力電圧の低下及び上昇を低減させることを可能とした、ワイヤレス給電システムを提供することができる。

本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの構成の一例を示すブロック図 本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの工程の一例を示すフローチャート 本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの受電装置のアンテナの周波数特性を示す図 本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの受電装置のＱ値調節回路の一例を示す図 本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの給電システムの一例を時系列で示す図 本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの受電装置の整流回路の出力の電圧電流特性を示す図 従来のワイヤレス給電システムの構成の一例を示すブロック図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施の携帯に係るワイヤレス給電システムの構成の一例を示すブロック図である。

［実施例１］
まず、図1を参照して、ワイヤレス給電システムの構成の一例を説明する。受電装置101は、送電装置301から送電された電力を受電し、二次電池118の充電をする。もしくは、送電装置301から送電された電力を受電しながら、通常動作する。本実施例では、デジタルカメラとしてブロック図を記載した。受電装置の受電コイル111は、導線を複数回巻いている。送電コイル311から送電された交流電界、もしくは磁界を受け取り、交流電圧を発生させる。

受電整流平滑回路112は、受電コイル111から供給された交流電圧を、直流電圧に平滑する。一般には、ダイオードブリッジ、もしくはFETブリッジが用いられる。ＬＤＯ113は、前記受電整流平滑回路112から出力される直流電圧を一定電圧、たとえば3.3Ｖにして出力し、受電制御部116、表示部115、受電通信部120へ供給する。充電回路用ＤＣＤＣ114は、前記受電整流平滑回路112から出力された直流電圧を一定電圧にして出力し、充電回路117へ供給する。

前記受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131は、送電装置301の送電コイル311と、受電装置101の受電コイル111の位置ずれにより、大きく変動する。なぜなら、電磁誘導方式の場合は、受電コイル111は、送電コイル311が起こす磁界から誘電起電力を発生させて、交流電流が流れる。この時、送電コイル311と受電コイル111の結合係数ｋが、送電効率に影響する。結合係数ｋが１に近いほど高効率で電力送信が可能である。結合係数ｋは、受電コイル111と送電コイル311の位置関係に影響される。受電コイル111と送電コイル311が平行に、近接していればしているほど結合係数kが１に近くなるように設計する。

また、前記受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131は、電流負荷によって電圧が降下する。そのため、充電回路117側の負荷状態にも影響される。受電コイル111と、送電コイル311が理想的な位置関係にあり、充電回路117側が無負荷状態の場合、前記受電整流平滑回路112の出力は40Ｖ近く出力されることがある。そのため、ＬＤＯ113、充電回路用ＤＣＤＣ114共に、５０Ｖ近い耐圧の回路を設計する必要があり、コスト高を招いていた。

充電回路117へは、前記ＬＤＯ113の出力を使用しない。充電回路用ＤＣＤＣ114から電力を供給する。なぜなら、充電回路117は、二次電池118への充電や、カメラシステム122への電力供給を行うため、供給電力が多いためである。ＬＤＯ113より高効率の充電回路用ＤＣＤＣ114を使用することによって、受電装置101全体の損失、発熱を防いでいる。表示部115は、ＬＣＤ表示装置、ＬＥＤ点灯状態等によって、受電装置101の充電状態を表示する。たとえば、受電装置101の“充電中”“満充電”“充電停止”などの状態を表示する。

受電制御部116は、受電装置101全体の制御をおこなう。充電に関しては、充電回路117を制御して二次電池118を充電する。例えば、二次電池118の電圧に応じて、定電流充電にするか、定電圧充電にするかを判断する。充電回路117は、充電回路用ＤＣＤＣ114から供給された電圧を受けて、二次電池118を充電する。また、受電装置101が充電以外の通常動作、たとえば静止画撮影、動画撮影、を行う場合には、カメラシステム用ＤＣＤＣ121に電力を供給する。

二次電池118は、充電可能な電池であって、通常使用時に受電装置101を駆動する場合に電力供給源となる。一般には、リチウムイオン二次電池が使用される。受電通信部アンテナ119は、受電通信部120が、送電通信部315と通信するために用いるアンテナである。通信方式としては、NFC,やWiFiを用いる。

受電通信部120は、送電通信部315と受電通信部アンテナ119を用いて通信する。送電装置301と受電装置101が、お互いに認証された装置であることを確認してから、送電装置301は、送電コイル311から電力を供給する。認証をせずに電力を供給し、予期せぬ金属が近接すると、金属が熱くなることが発生する可能性があるためである。

カメラシステム用ＤＣＤＣ121は、充電回路117が出力する電圧を一定電圧に変換してカメラシステム122へ供給する。充電回路117から出力される電圧は高電圧にならないので、カメラシステム用ＤＣＤＣ121には高耐圧の回路構成は不要である。例えば、約7Ｖ耐圧ほどで十分である。カメラシステム122は、受電装置101をデジタルカメラとした時のシステム全般である。ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、センサー、モーター駆動回路などが含まれる。

共振容量制御回路201は、受電コイル111の共振コンデンサ202の容量を調節する。共振コンデンサ202の容量値を制御することによって、受電整流平滑回路112の整流電圧131が高い電圧にならないように制御し、充電回路用ＤＣＤＣ114を高耐圧に設計しなくてもいいようにし、コスト高を抑制する。共振コンデンサ202は、受電コイル111との共振周波数、Ｑ値を整合している。一般には、送電コイル311が送電する交流周波数と、共振周波数を同等になるように共振コンデンサ202を設計し、送電効率が高くなるように設計する。

電圧検出回路203は、受電整流平滑回路112の出力電圧を検知する。検知した電圧によって、ダミー駆動回路211や、共振容量制御回路201を制御して、受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131が高圧にならないようにする。ダミー駆動回路211は、ダミー負荷抵抗用スイッチ212を駆動して、受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131が高電圧にならないように制御する。

ダミー負荷抵抗213は、受電整流平滑回路112の出力電圧にダミー負荷抵抗用スイッチ212に接続されており、ダミー駆動回路211がダミー負荷抵抗用スイッチ212をオンすると、ダミー負荷抵抗213に電流が流れて、前記受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131が降下する。

送電装置301は、受電装置101に電力をワイヤレスで供給する装置である。送電コイル311は、導線を複数回巻いたものであり、送電コイル311から交流電界、もしくは、交流磁界を発生させて、受電コイル111へ電力を送電する。送電整合回路312は、送電コイル311のインダクタンス値と、容量によって整合を行い、送電コイル311の共振数周波数が、送電コイル311が発生させる交流電流の周波数と同等になるように設計し、送電効率を高くする。

送電部313は、送電コイル311に交流電圧を印加する。送電コイル311に交流電流が流れ、電界、磁界が発生し、それにより、受電コイル111へ電力を送電する。送電制御部314は、送電装置301全体を制御する。送電通信部315は、送電通信部アンテナ316を用いて、受電通信部120と通信を行い、受電装置101の認証を行う。受電装置101、送電装置301がお互いに認証された装置である場合のみ送電装置301は送電を開始する。

図２は、図1に示すワイヤレス給電システムによって実行される給電処理の手順を示すフローチャートである。図３は、図１のワイヤレス給電システムの共振容量制御回路が容量を制御した場合のアンテナの周波数特性を示す図である。図４は、図１のワイヤレス給電システムの共振容量制御回路の一例を示す図である。図５は、図1に示すワイヤレス給電システムによって実行される給電処理を時系列で示す図である。整流電圧131と充電電圧503、充電電流502を時系列でグラフにした図である。図６は、図1に示すワイヤレス給電システムの受電装置の整流回路の出力の電圧電流特性を示す図である。

図２のフローを、図３〜６を用いながら、説明する。送電装置301の送電コイル311に、受電装置101の受電コイル111が近接する。送電コイル311は間欠で交流電流を流しており、送電コイル311端子の電圧を測定している。その時の端子の電圧を測定することで、近傍に金属かあるかどうかを検知している。近くに金属がいることを検知すると次のステップへ移行する（ステップS100）。

図５の検知期間511に相当する。図５の例では、受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131は7Ｖと想定した。二次電池118の充電電圧503は、2.7Ｖ付近と想定した。充電電流502は、流れていない。送電コイル311に間欠で交流電流を流しているので、整流電圧131には電圧が発生する。

まず、図1の共振容量制御回路201は、Ｑを最適値から外した値に設定する。図３は、図１のワイヤレス給電システムの共振容量制御回路が容量を制御した場合のアンテナの周波数特性を示す図である。縦軸は受電コイルの受電する電力値である。

図３において、Ｑ値が高く電力効率が最適な周波数特性は301であり、最低の周波数特性は303である。充電回路117の負荷電流が少ない状態で301の周波数特性に設定すると、受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131が高くなってしまう。よって、共振容量制御回路201は、Ｑを最適値から外した値に設定する。

図４は、図１のワイヤレス給電システムの共振容量制御回路の一例を示す図である。図４に示すように、受電コイル111に並列に複数コンデンサを配置して、スイッチでオン、オフすることにより容量値を調節して、Ｑ値、周波数特性を変更する。つまり、この回路を用いて、給電開始前は周波数特性303にしておく（ステップS101）。

次に、ダミー駆動回路211を駆動して、ダミー負荷抵抗用スイッチ212をオンして、ダミー負荷抵抗213に負荷電流が流れるようにする（ステップS102）。図６は、図1に示すワイヤレス給電システムの受電装置の整流回路の整流電圧131の電圧電流特性を示す図である。負荷が軽負荷の場合、整流電圧131が40Ｖ近く上昇することがあり、給電開始前の負荷が軽い状態で、整流電圧131が上昇しないようにダミー負荷抵抗によって、負荷電流を流す。

送電コイル311が、近傍に金属がいることを検知すると、送電通信部315が送電通信部アンテナ316を使って通信を開始する。通信手段はＮＦＣや、ＷｉＦｉを利用する。受電装置101も受電通信部120が、受電通信部アンテナ119を用いて通信を開始する。お互いにＩＤを交換することによって、問題のない受電装置101であることを認証する（ステップS103）。

図５の認証期間512に相当する。認証中は、送電コイル311に交流電流を流さないので、整流電圧131は発生しない。認証が正常に完了すると、送電コイル311が受電コイル111へ給電を開始する（ステップS104）。図５の給電期間513に相当する。送電コイル311から給電を開始するので、整流電圧131が発生する。図５の例では整流電圧131が7Ｖで出力されたと想定する。充電電圧503は、2.7Ｖ付近であることを想定する。

まず、二次電池118の電圧を検知する。満充電電圧以上であると判定すると充電を終了する。4.2V以下であると、次のステップへ移行する（ステップS105）。充電回路117が、二次電池118に定電流充電（ＣＣ充電）を開始する（ステップS106）。定電流充電を開始すると、充電回路117から二次電池118へ充電電流が流れ、整流電圧131が高圧にならないために、十分な充電電流がひかれるため、ダミー負荷は不要となる。

例えば、図６電圧電流特性に示すように、整流電圧131が無負荷で40Ｖ近い場合、100mA程度負荷電流が引かれると、10Ｖ以下になる。充電回路用ＤＣＤＣ114の耐圧を10Ｖとした時、ダミー負荷電流は100mA流れるような抵抗値としている。充電電流がひかれる前は、ダミー負荷電流100mAを流して高圧になるのを防止する必要がある。しかし、充電を開始して、充電電流が数百mA流れると、その電流によって整流電圧131が高圧になることはないので、ダミー負荷電流は不要となる。

ダミー駆動回路を駆動して、ダミー負荷抵抗用スイッチ212をオフして、ダミー負荷抵抗を切断する。ただ、充電が完了したなどの状態で、充電回路117からの電流が数mA以下となった場合には、ダミー負荷抵抗を再接続する（ステップS107）。

受電整流平滑回路112から出力される整流電圧131を上げるため、共振容量制御回路201を制御してＱを最適値にする（ステップS108）。図５のＣＣ充電期間514に相当する。図5においては、充電電流502が700mAと想定した。充電電流が流れるため、整流電圧131は降下する。しかし、ダミー負荷をオフし、Ｑ値を最適値にしているため、降下量は２Ｖ程度で収まっている例である。

充電電流を検知する。充電電流が規定値以下になると、次のステップへ移行する（ステップS109）。充電電流が規定値以下になると、定電流充電（ＣＣ充電）から、定電圧充電（ＣＶ充電）へ移行する。定電圧充電の場合は、充電電流502は充電電圧503が満充電電圧4.2Ｖに近づくにつれて、減少する（ステップS110）。

ここで、整流電圧131を検知する。この電圧が規定電圧（一例では10Ｖ）以上であれば、Ｑを一段下げる。規定電圧以下であれば次のステップへ移行する（ステップS111、ステップＳ112）。

図５において、ＣＣ充電期間514、ＣＶ充電期間515に相当する。ここで、ＣＶ充電期間515中に、充電電流502が下がってきたため、整流電圧131が上昇していることを想定している。その場合、（ステップS112）で、Ｑを一段下げて、整流電圧131を下げている。

次に二次電池118の電圧を検知して、4.2Ｖ未満であれば、引き続き定電圧充電を続ける（ステップS110）。4.2Ｖ以上になれば、充電を終了する（ステップS113）。

図５において、充電完了516に相当する。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

101 受電装置
111 受電コイル
112 受電整流平滑回路
117 充電回路
201 共振容量制御回路
202 共振コンデンサ
203 電圧検出回路
212 ダミー負荷抵抗用スイッチ
213 ダミー負荷抵抗
311 ダミー駆動回路
131 整流電圧

Claims (7)

1. ワイヤレス給電システムの受電装置であって、
   電磁誘導もしくは磁界共鳴によって、送電コイルからの電力を受電する受電コイルと、
   受電コイルのＱ値を適正に整合するＱ値整合回路と、
   受電装置が有する受電コイルが受電した交流電力を整流する整流平滑回路と、
   整流平滑回路が供給する電圧で二次電池へ充電を行う充電回路と、
   前記整流回路が出力する電圧を検出する電圧検出回路と、
   を有し、
   整流平滑回路が供給する電圧が、規定電圧以下となるように前記Ｑ値整合回路を調節する
   ことを特徴とするワイヤレス給電システムの受電装置。
2. 前記整流平滑回路が供給する電圧に抵抗負荷を接続し、さらに直列にスイッチを接続し、前記スイッチを駆動する負荷駆動回路を有し、
   整流平滑回路が供給する電圧が、規定電圧以下となるように前記負荷駆動回路を駆動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システムの受電装置。
3. 給電開始時は、前記負荷駆動回路を駆動して、前記整流平滑回路が出力する電圧を調節し、充電回路が充電を開始する場合には、負荷駆動回路を停止してから、Ｑ値整合回路によって、前記整流平滑回路が出力する電圧を調節する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載のワイヤレス給電システムの受電装置。
4. 受電開始前には、Ｑ値整合回路は、送電コイルを駆動する交流電圧の周波数でのＱ値を
   第一のＱ値と、第二のＱ値を選択できるようにしておき、
   充電回路が充電を開始する前は、第一のＱ値としておき、
   充電回路が充電を開始した後に、交流周波数での第二のＱ値にする
   ことを特徴とする、請求項１に記載のワイヤレス給電システムの受電装置。
5. 第一のＱ値は、第二のＱ値より高い
   ことを特徴とする、請求項５に記載のワイヤレス給電システムの受電装置
6. 前記Ｑ値整合回路は、複数のコンデンサをスイッチによって、受電コイルに並列に接続しておき、前記スイッチをオンすることによって、Ｑ値を調節する
   ことを特徴とする、請求項１に記載のワイヤレス給電システムの受電装置。
7. 整流平滑回路の出力を、入力電圧として安定化した電圧を出力するＤＣＤＣを有し、
   ＤＣＤＣからの出力を充電回路に供給する
   事を特徴とする、請求項１に記載のワイヤレス給電システムの受電装置。