JP2020005457A - 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、受電側が電力の受電・非受電を切り替えるために受電側のスイッチをオン・オフすると、送電電流もしくは受電電流に過大電流が流れる。流れる過大電流に対応する機器を使用すると機器の大型化やコスト増大の恐れがある。【解決手段】受電側のスイッチをオン・オフする時間を変えながら連続的にオン・オフさせることで、送電電流もしくは受電電流に過大電流が流れることを防ぐことができる。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス電力伝送システムに関するものである。

近年、ケーブルを用いずに電力を給電できるワイヤレス電力伝送システムが注目されている。

その中でも、磁界の共振を用いた方式では、数ｍ程度の距離であれば離れたところから給電ができるため、電気自動車の充電等に適用できると考えられている。

送電側より受電側に対して電力が伝送されるが、受電側において電力を受電する必要が無い場合には送電を停止させる必要がある。しかし、受電側から送電側に送電停止指令を送る必要があり、別途装置が必要となり、装置の大型化やコスト増大の恐れがあった。

特許文献１や特許文献２によれば、受電側にスイッチを設け、スイッチをオンすることにより受電回路を短絡させ、受電側に電力を受電しないようにしている。

特開昭６０−２６１３６２号公報 特開平１１−２７８７０号公報

しかしながら、図６の構成でスイッチをオン・オフさせた時に、図７に示すように送電電流もしくは受電電流に過大電流が流れる問題があった。

そこで、スイッチのオン・オフを１回では無く、オン・オフする時間を変えながら連続的にオン・オフさせることで、送電電流もしくは受電電流に過大電流が流れることを防ぐことができる。

本発明を採用すれば、過大電流を流すことができる機器を用いる必要が無く、装置の大型化やコスト増大を防ぐことができる。

このような課題を解決するため、
請求項１の発明では、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、
直流電源の出力に接続し直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、第１のコンデンサと第１のコイルを備え前記インバータ部から交流電力が供給される第１の共振回路と、前記第１のコイルと磁気的に結合する第２のコイルと第２のコンデンサを備え整流回路に交流電力を供給する第２の共振回路と、直列に接続された第１のダイオード素子および第１のスイッチング素子と、直列に接続された第２のダイオード素子および第２のスイッチング素子とを備え、前記第２の共振回路の出力に接続し交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、を備え
前記制御部は、受電側共振回路を短絡させる指令を出力する短絡指令生成器と、前記短絡指令生成器が出力する指令に基づき時間傾斜を付加するジャーク器と、前記ジャーク器の出力する指令に基づき一定時間の遅延を付加する遅延器と、第１のキャリア信号生成器と、前記ジャーク器が出力する信号と前記第１のキャリア信号生成器が出力する信号に基づきゲート信号を生成する第１のゲート信号生成器と、第２のキャリア信号生成器と、前記遅延器が出力する信号と前記第２のキャリア信号生成器が出力する信号に基づきゲート信号を生成する第２のゲート信号生成器と、を備え、
受電側のスイッチング素子のオン・オフが１回では無く、オン・オフする時間を変えながら連続的にスイッチをオン・オフさせること特徴とする。

請求項２の発明では、請求項１に加え、第２の共振回路に流れる電流を検出する手段と、検出した電流に同期した信号を出力するＰＬＬと、を備え、
第１及び第２のキャリア信号生成器が、前記ＰＬＬが出力する信号に基づくことを特徴とする。

本発明は、上述したワイヤレス電力伝送システムにおいて、
受電側が電力の受電・非受電を切り替えるために実施するスイッチのオン・オフによって発生する送電電流もしくは受電電流の過大電流を防ぐことができる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの回路を示す図である。（実施例１） 本発明に係る制御部の制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例１） 本発明に係る電流・信号を示したチャートである。（実施例１） 本発明に係るワイヤレス電力伝送システムの回路を示す図である。（実施例２） 本発明に係る制御部の制御ブロック構成の一例を示す図である。（実施例２） 従来の技術による制御部の制御ブロック構成の一例を示す図である。 従来の技術に係る電流・信号を示したチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係わるワイヤレス電力伝送システムを示す図、図２は本発明の実施例１に係わる制御ブロック構成の一例を示す図、図３は本発明の実施例１に係わる電流・信号のタイムチャートを示す図である。

図１は、ワイヤレス電力伝送システム１の構成を示しており、直流電源１１と、インバータ部１２と、送電側共振回路１３と、受電側共振回路１４と、整流回路１５と、平滑コンデンサ１６と、負荷１７と、制御部２１とを備える。

インバータ部１２は、直流電源１１が出力した直流電力を、矩形波電圧形状の交流電力に変換し、送電側共振回路１３に出力する。

送電側共振回路１３は、コンデンサ１３１と送電側コイル１３２とを備えて、送電側共振回路を構成する。送電側共振回路には、送電電流Ｉｐが流れる。

受電側共振回路１４は、コンデンサ１４１と受電側コイル１４２とを備えて、受電側共振回路を構成する。受電側共振回路には、受電電流Ｉｓが流れる。

送電側コイル１３２と受電側コイル１４２は、電磁気的に結合し、送電側コイル１３２から受電側コイル１４２にワイヤレス電力伝送を行う。

整流回路１５は、ダイオード１５１及び１５３と、スイッチング素子１５２及び１５４を備えて構成される。ダイオード１５１とスイッチング素子１５２とが直列に接続され、ダイオード１５３とスイッチング素子１５４とが直列に接続され、ダイオード１５１とスイッチング素子１５２との接続点にコンデンサ１４１の他端が接続され、ダイオード１５３とスイッチング素子１５４との接続点に受電側コイル１４２の他端が接続され、受電コイル１４２が受電した交流電圧を整流し、出力する。スイッチング素子１５２及び１５４は、制御部からの指令でオン・オフする。

平滑コンデンサ１６は、整流回路１５で整流された電圧を平滑して直流電圧を出力する。

負荷１７は、整流回路１５と平滑コンデンサ１６に接続されている。負荷１７は、主にバッテリ等の２次電池が上げられるが、電動機でも良い。

制御部２１は、整流回路１５のスイッチング素子に対してゲート信号を出力する。

図２は、制御部２１の構成を示しており、制御部２１は、短絡指令生成器２１１と、ジャーク器２１２と、遅延器２１３と、キャリア信号生成器２１４ａ及び２１４ｂと、ゲート信号生成器２１５ａ及び２１５ｂと、を備える。

短絡指令生成器２１１は、受電側が電力を受電しない時つまり受電側共振回路を短絡する時に短絡指令ＳＣ＊＝１を出力する。短絡しない時はＳＣ＊＝０である。

ジャーク器２１２は、短絡指令ＳＣ＊に時間傾斜ｓを添加し、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊を出力する。

遅延器２１３は、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊に対して時間Δｔだけ遅延したジャーク・遅延付短絡指令ＳＣ２＊を出力する。時間Δｔは、０でも良い。

キャリア信号生成器２１４ａは、決められたキャリア周波数に基づき、キャリア信号Ｃｓ１を出力する、たとえば三角波である。キャリア周波数は任意であるが、受電側共振回路の共振周波数が良い。

キャリア信号生成器２１４ｂは、決められたキャリア周波数に基づき、キャリア信号Ｃｓ２を出力する、たとえば三角波である。キャリア周波数は任意であるが、受電側共振回路の共振周波数が良い。

ゲート信号生成器２１５ａは、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊及びキャリア信号Ｃｓ１に基づき、Ｕ相ゲート信号Ｇｕｎを出力する。たとえば、キャリア信号Ｃｓ１が三角波の場合、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊とキャリア信号Ｃｓ１を比較する三角波比較方式を使用する。

ゲート信号生成器２１５ｂは、ジャーク・遅延付短絡指令ＳＣ２＊及びキャリア信号Ｃｓ２に基づき、Ｖ相ゲート信号Ｇｖｎを出力する。たとえば、キャリア信号Ｃｓ２が三角波の場合、ジャーク・遅延付短絡指令ＳＣ２＊とキャリア信号Ｃｓ２を比較する三角波比較方式を使用する。

図３は、実施例１において、送電電流Ｉｐ・受電電流Ｉｓ・短絡指令ＳＣ＊・ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊・ジャーク・遅延付短絡指令ＳＣ２＊・Ｕ相ゲート信号Ｇｕｎ・Ｖ相ゲート信号Ｇｖｎのタイムチャートを示す図である。

動作の流れを説明する。

受電共振回路を短絡するために短絡指令ＳＣ＊が０から１になった場合、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊はジャーク（傾きｓ）がついているため、即座に１にはならず、徐々に１に近づく。そのため、ジャーク付短絡指令ＳＣ１＊とキャリア信号Ｃｓ１が交差する点が変わり、出力されるゲート信号Ｇｕｎのオンしている時間は徐々に長くなり、オフしている時間は徐々に短くなる。短絡指令ＳＣ＊が１から０になる場合は、ゲート信号Ｇｕｎのオンしている時間は徐々に短くなり、オフしている時間は徐々に長くなる。

スイッチがオンもしくはオフしている時間が徐々に変化するので、送電電流及び受電電流が連続的に変化し、過大電流が流れることは無い。

図４は本発明の実施例２に係わるワイヤレス電力伝送システムを示す図、図５は本発明の実施例２に係わる制御ブロック構成の一例を示す図である。

図４は、ワイヤレス電力伝送システム１Ａの構成を示しており、電流検出器２２が追加され、電流検出値が制御部２１Ａに入力されている点が実施例１の図１と異なる。

図５は、制御部２１Ａの構成を示しており、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）２１６が追加され、出力がキャリア信号生成器２１４ａ及びキャリア信号生成器２１４ｂに入力されている点が実施例１の図２と異なる。

電流検出器２２は、受電側共振回路に流れる電流Ｉｓを検出する。

ＰＬＬ２１６は、電流Ｉｓに基づき電流Ｉｓに位相が同期した信号ＳｙｎｃＳを出力する。

キャリア信号生成器２１４ａは、同期信号ＳｙｎｃＳに基づき、キャリア信号Ｃｓ１を出力する。たとえば三角波である。キャリア周波数は電流Ｉｓと同一である。

キャリア信号生成器２１４ｂは、同期信号ＳｙｎｃＳに基づき、キャリア信号Ｃｓ２を出力する。たとえば三角波である。キャリア周波数は電流Ｉｓと同一である。

ＰＬＬを使用することで、スイッチのオン・オフ時に発生する送電電流もしくは受電電流の過大電流をさらに低減することができる。

本発明は、ワイヤレス電力伝送システムにおいて、受電側が電力を受電しないためのスイッチのオン・オフにおいて、送電電流もしくは受電電流に過大電流が流れることを防ぐことができ、過大電流を流すことができる機器を用いる必要が無く、装置の大型化やコスト増大を防ぐことができる。

１、１Ａ ワイヤレス電力伝送システム
１１ 直流電源
１２ インバータ部
１３ 送電側共振回路
１３１ コンデンサ
１３２ 送電コイル
１４ 受電側共振回路
１４１ コンデンサ
１４２ 受電コイル
１５ 整流回路
１５１、１５３ ダイオード素子
１５２、１５４ スイッチング素子
１６ 平滑コンデンサ
１７ 負荷
２１、２１Ａ、３１ 制御部
２１１ 短絡指令生成器
２１２ ジャーク器
２１３ 遅延器
２１４ａ、２１４ｂ キャリア信号生成器
２１５ａ、２１５ｂ ゲート信号生成器
２１６ ＰＬＬ
２２ 電流検出器

Claims (2)

1. 直流電源の出力に接続し直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、第１のコンデンサと第１のコイルを備え前記インバータ部から交流電力が供給される第１の共振回路と、前記第１のコイルと磁気的に結合する第２のコイルと第２のコンデンサを備え整流回路に交流電力を供給する第２の共振回路と、直列に接続された第１のダイオード素子および第１のスイッチング素子と、直列に接続された第２のダイオード素子および第２のスイッチング素子とを備え、前記第２の共振回路の出力に接続し交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、を備え
   前記制御部は、受電側共振回路を短絡させる指令を出力する短絡指令生成器と、前記短絡指令生成器が出力する指令に基づき時間傾斜を付加するジャーク器と、前記ジャーク器の出力する指令に基づき一定時間の遅延を付加する遅延器と、第１のキャリア信号生成器と、前記ジャーク器が出力する信号と前記第１のキャリア信号生成器が出力する信号に基づきゲート信号を生成する第１のゲート信号生成器と、第２のキャリア信号生成器と、前記遅延器が出力する信号と前記第２のキャリア信号生成器が出力する信号に基づきゲート信号を生成する第２のゲート信号生成器と、を備え、
   受電側のスイッチング素子のオン・オフが１回では無く、オン・オフする時間を変えながら連続的にスイッチをオン・オフさせること特徴とするワイヤレス電力伝送システム。
2. 請求項１に加え、第２の共振回路に流れる電流を検出する手段と、検出した電流に同期した信号を出力するＰＬＬと、を備え、
   第１及び第２のキャリア信号生成器が、前記ＰＬＬが出力する信号に基づくことを特徴とするワイヤレス電力伝送システム。