JP2021058049A

JP2021058049A - 受電装置及び無線給電システム

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Publication number: JP2021058049A
Application number: JP2019181639A
Authority: JP
Inventors: 大輔築山; Daisuke Tsukiyama
Original assignee: Daihen Corp
Current assignee: Daihen Corp
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2021-04-08
Anticipated expiration: 2039-10-01
Also published as: JP7301706B2

Abstract

【課題】給電対象のインピーダンスに依らず、給電対象に流れる電流の電流量を一定にする受電装置及び無線給電システムを提供する。【解決手段】受電装置２０は、送電コイル１２から送電される電力を受電する受電コイル２１と、受電コイル２１が受電した電力に応じた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路２３Ａ，２３Ｂと、電圧電流変換回路２３Ａ，２３Ｂの出力電流を整流する整流回路２４と、整流回路２４の出力電流を平滑化して給電対象２６に供給する平滑回路２５と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置及び無線給電システムに関する。

近年、送電装置から受電装置に非接触で電力を伝送する無線給電システムの開発が進められている。例えば特許文献１には、送電装置から出力される電力を受電装置が非接触で受電し、当該電力に応じた電圧が負荷に供給される無線給電測定装置が開示されている。

国際公開第２０１７／１４１３４０号

このような無線給電システムにおいては、送電コイルと受電コイルとの間の電磁誘導により受電コイルの両端に生じた電圧が負荷に印加される。このとき、負荷から見て受電コイルは定電圧源としてふるまうため、受電コイルが受電する電力が一定であっても、負荷インピーダンスに応じて負荷に供給される電流の電流量が異なることとなる。例えば、負荷インピーダンスが高い場合は、負荷に流れる電流量は比較的少ないが、負荷インピーダンスが低い場合は、負荷に大電流が流れるおそれがある。従って、このような大電流を考慮して受電装置の部品等を選定する必要が生じ、コストアップを招くという問題がある。この問題に対処するため、負荷に流れる電流の電流量は、負荷インピーダンスによらず一定となることが好ましい。

そこで、本発明は、給電対象のインピーダンスに依らず、給電対象に流れる電流の電流量を一定にする受電装置及び無線給電システムを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る受電装置は、送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、受電コイルが受電した電力に応じた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路と、電圧電流変換回路の出力電流を整流する整流回路と、整流回路の出力電流を平滑化して給電対象に供給する平滑回路と、を備える。

この態様によれば、電圧電流変換回路を備えることにより、受電コイルの両端に生じた電圧が電流に変換されて給電対象に供給される。従って、給電対象から見て受電コイルは定電流源としてふるまうこととなり、給電対象のインピーダンスによらず給電対象に流れる電流の電流量を一定にすることができる。

上記態様において、電圧電流変換回路は、一端が第１端子に接続された第１素子と、一端が第１素子の他端に接続され、他端が第２端子に接続された第２素子と、一端が第１素子の他端及び第２素子の一端に接続され、他端が第３端子及び第４端子に接続された第３素子と、を含むＴ型回路を有し、第１素子のインピーダンスと第３素子のインピーダンスの和がゼロであり、第２素子のインピーダンスと第３素子のインピーダンスの和がゼロであってもよい。

この態様によれば、電圧電流変換回路を３つの受動素子により構成することができる。従って、例えばＤＣ−ＤＣコンバータや能動素子等を用いる構成に比べて、受電装置の小型化及び安定化を図ることができ、加えてコストを抑えることができる。

上記態様において、給電対象への供給電圧をＶＬとし、給電対象への供給電流をＩＬとすると、第１乃至第３素子のインピーダンスの絶対値は、それぞれＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれていてもよい。

この態様によれば、整流回路及び平滑回路における電圧損失分を考慮して第１乃至第３素子のインピーダンスが設計されるため、給電対象に供給される電流を制御する精度が向上する。

上記態様において、電圧電流変換回路は、一端が第１端子に接続され、他端が第２端子に接続された第４素子と、一端が第１端子に接続され、他端が第３端子に接続された第５素子と、一端が第２端子に接続され、他端が第４端子に接続された第６素子と、を含むπ型回路を有し、第４素子のインピーダンスと第５素子のインピーダンスの和がゼロであり、第４素子のインピーダンスと第６素子のインピーダンスの和がゼロであってもよい。

上記態様において、給電対象への供給電圧をＶＬとし、給電対象への供給電流をＩＬとすると、第４乃至第６素子のインピーダンスの絶対値は、それぞれＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれていてもよい。

この態様によれば、整流回路及び平滑回路における電圧損失分を考慮して第４乃至第６素子のインピーダンスが設計されるため、給電対象に供給される電流を制御する精度が向上する。

本発明の一態様に係る無線給電システムは、上述の受電装置と、送電コイル及び当該送電コイルに電源電圧を供給する電源回路を備える送電装置と、を備える。

この態様によれば、受電装置が電圧電流変換回路を備えることにより、受電コイルの両端に生じた電圧が電流に変換されて給電対象に供給される。従って、給電対象のインピーダンスによらず給電対象に流れる電流の電流量を一定にしつつ、送電装置から受電装置に電力を伝送することができる。

本発明によれば、給電対象のインピーダンスに依らず、給電対象に流れる電流の電流量を一定にする受電装置及び無線給電システムを提供することができる。

本発明の一実施形態に係る無線給電システムの回路図である。電圧電流変換回路２３Ａの機能を説明するための図である。電圧電流変換回路２３Ａの構成例を示す図である。電圧電流変換回路２３Ａの構成例を示す図である。電圧電流変換回路２３Ｂの機能を説明するための図である。電圧電流変換回路２３Ｂの構成例を示す図である。電圧電流変換回路２３Ｂの構成例を示す図である。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線給電システムの回路図である。同図に示されるように、無線給電システム１は、電力を送電する送電装置１０と、当該電力を非接触で受電する受電装置２０と、を備える。

送電装置１０は、例えば、電源回路１１と、送電コイル１２と、共振コンデンサ１３と、を備える。

電源回路１１は、所定の周波数（例えば、数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚ程度）の交流電源電圧を生成し、送電コイル１２に供給する。

送電コイル１２は、例えば渦巻状に巻かれたコイルであり、電源回路１１からの交流電源電圧が供給される。共振コンデンサ１３は、送電コイル１２に直列接続され、送電コイル１２とともに共振回路を構成する。当該共振回路は、送電コイル１２のインダクタンス値をＬとし、共振コンデンサ１３の容量値をＣとすると、ｆ＝１／２π√ＬＣ（Ｈｚ）によって表される共振周波数ｆを有する。

受電装置２０は、受電コイル２１と、共振コンデンサ２２と、電圧電流変換回路２３Ａと、整流回路２４と、平滑回路２５と、給電対象２６と、を備える。

受電コイル２１は、例えば渦巻状に巻かれたコイルであり、送電コイル１２と磁界結合され、送電コイル１２から送電される電力を受電する。共振コンデンサ２２は、受電コイル２１に直列接続され、受電コイル２１とともに共振回路を構成する。送電装置１０側の共振回路と受電装置２０側の共振回路が同じ共振周波数において共鳴することにより、送電装置１０から受電装置２０へ電力が送電される（磁界共鳴方式）。

電圧電流変換回路２３Ａは、受電コイル２１と整流回路２４との間に設けられ、受電コイル２１が受電した電力に応じた電圧を電流に変換して出力する。本実施形態において、電圧電流変換回路２３Ａは、いわゆるＴ型回路を構成する３つの素子２３０〜２３２を備える。電圧電流変換回路２３Ａの構成の詳細については後述する。

整流回路２４は、電圧電流変換回路２３Ａが出力する交流電流を全波整流し、直流電力を出力する。整流回路２４は、互いに直列接続された２組のダイオード２４０，２４１とダイオード２４２，２４３を含む。これらの２組のダイオード２４０，２４１とダイオード２４２，２４３は、並列接続される。なお、整流回路２４の回路構成は一例であり、これに限定されない。例えば整流回路２４は、半波整流回路であってもよい。

平滑回路２５は、整流回路２４の出力電流の変動を低減し、平滑化させた直流電流を給電対象２６に供給する。平滑回路２５は、コイル２５０及びコンデンサ２５１により構成される、いわゆるＬ型フィルタ回路である。

給電対象２６は、平滑回路２５により平滑化された直流電力が供給される対象である。給電対象２６は、特に限定されないが、本実施形態においては例えばバッテリやコンデンサ等の蓄電器に電力が蓄電される場合が想定され、コンデンサ２６０が示されている。なお、給電対象２６は、コンデンサ２６０に替えて、例えばモータ等のアクチュエータなど電力を消費する負荷であってもよい。また、図１においては、給電対象２６が受電装置２０に含まれた構成が示されているが、給電対象は受電装置２０に含まれず、受電装置２０の外部に設けられていてもよい。

本実施形態においては、送電コイル１２と受電コイル２１との間の電磁誘導により受電コイル２１の両端に電圧が生じ、当該電圧に応じた電力が給電対象２６に供給される。ここで、仮に受電装置２０が電圧電流変換回路２３Ａを備えていなかった場合、給電対象２６から見て受電コイル２１は定電圧源としてふるまうため、給電対象２６のインピーダンスに応じて給電対象２６に供給される電流の電流量が異なることとなる。例えば、給電対象２６のインピーダンスが高い場合は、給電対象２６に流れる電流量は比較的少ないが、当該インピーダンスが低い場合は、給電対象２６に大電流が流れるおそれがある。従って、このような大電流を考慮して受電装置２０の部品等を選定する必要が生じ、コストアップを招くという問題がある。

この点、本実施形態に係る受電装置２０は、電圧電流変換回路２３Ａを備えることにより、受電コイル２１の両端に生じた電圧が電流に変換されて給電対象２６に供給されることとなる。言い換えると、給電対象２６から見て受電コイル２１が定電流源としてふるまうこととなる。図２を参照して、この点についてさらに説明する。

図２は、電圧電流変換回路２３Ａの機能を説明するための図である。なお、図２では、説明の簡単のため、受電装置２０が備える構成のうち、共振コンデンサ２２、整流回路２４、及び平滑回路２５が省略されている。

電圧電流変換回路２３Ａにおいて、素子２３０（第１素子）は、一端が第１端子Ｔ１に接続され、他端が素子２３１の一端に接続される。素子２３１（第２素子）は、一端が素子２３０の他端に接続され、他端が第２端子Ｔ２に接続される。素子２３２（第３素子）は、一端が素子２３０の他端及び素子２３１の一端に接続され、他端が第３端子Ｔ３及び第４端子Ｔ４に接続される。

素子２３０〜２３２のインピーダンスをそれぞれＺ１〜Ｚ３とし、給電対象２６のインピーダンスをＺＬ（以下、「負荷インピーダンスＺＬ」ともいう。）とする。また、受電コイル２１の両端に生じる電圧をＶ１、受電コイル２１に流れる電流をＩ１、給電対象２６の両端に印加される電圧をＶＬ、給電対象２６に流れる電流をＩＬとする。電圧ＶＬ及び電流ＩＬは、仕様として定められた給電対象２６への供給電圧及び供給電流としても得られるものである。

まず、素子２３０のインピーダンスＺ１と素子２３２のインピーダンスＺ３の和がゼロとなり、素子２３１のインピーダンスＺ２と素子２３２のインピーダンスＺ３の和がゼロとなるように素子２３０〜２３２の定数を定める。すなわち、インピーダンスＺ１〜Ｚ３は、式（１）及び式（２）を満たす。

また、電圧Ｖ１は、電流Ｉ１及び電流ＩＬを用いて以下のように表される。

上記式（１）より、式（３）は以下のように変形される。

ここから、給電対象２６に流れる電流ＩＬの電流量は、受電コイル２１に生じる電圧Ｖ１の大きさに比例し、電圧電流変換回路２３Ａにより電圧が電流に変換されることが分かる。

また、インピーダンスＺ１〜Ｚ３の絶対値は、いずれも負荷インピーダンスＺＬの絶対値と等しくなるように定められ、式（５）を満たす。

ここで、負荷インピーダンスＺＬの最小値は式（６）を満たす。

素子２３１には電流ＩＬが流れるため、上記式（５）より、素子２３１のインピーダンスＺ２は式（７）により定められる。

上記式（１）、式（２）及び式（７）より、素子２３０のインピーダンスＺ１及び素子２３２のインピーダンスＺ３は、それぞれ式（８）及び式（９）により定められる。

なお、実際の受電装置２０においては、図１に示されるように、電圧電流変換回路２３Ａの後段に整流回路２４及び平滑回路２５等が含まれるため、これらの回路において電圧損失が生じる。従って、給電対象２６に所望の電流を流すためには、負荷インピーダンスＺＬをより低く見積もる必要がある。

具体的に、整流回路２４及び平滑回路２５における電圧損失を考慮した場合に、給電対象２６の両端に印加される電圧をＶＬ_X（ＶＬ_X＜ＶＬ）とする。整流回路２４に供給される交流電流が正弦波であると仮定し、整流回路２４に含まれるダイオードの順電圧（順方向電流を流したときのダイオードの電圧降下）をＶｆとし、平滑回路２５の入力周波数における平滑回路２５での入出力の電圧比をα（０＜α＜１）とする。電圧ＶＬ_Xの二乗平均平方根（ＲＭＳ：root mean square）は、以下の式（１０）により表される。

例えば平滑回路２５のカットオフ周波数（すなわち、通過特性が−３ｄＢとなる周波数）では、電圧比αは０．７程度となる。一般的に、カットオフ周波数では減衰量が十分に確保されないため、例えば通過特性が−６ｄＢ〜−２０ｄＢ程度の領域で高周波を減衰させることが多い。従って、例えば通過特性が−１０ｄＢ（減衰率７０％、α≒０．３）である点を基準として、±２０％の範囲を含む減衰率５０〜９０％（α≒０．５〜０．１）として算出される電圧ＶＬ_Xを用いてインピーダンスＺ１〜Ｚ３を設定することが好ましい。

すなわち、インピーダンスＺ１〜Ｚ３の絶対値は、設計値ＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれるように設計されることが好ましい。これにより、給電対象２６に供給される電流の制御の精度が向上する。なお、上記式（１０）において、ダイオードの順電圧Ｖｆは、ダイオードが十分な性能であったり、電圧ＶＬが十分に高ければ、無視できる程度に小さい値である。

図３Ａ及び図３Ｂは、電圧電流変換回路２３Ａの構成例を示す図である。電圧電流変換回路２３Ａは、例えば図３Ａに示されるように、素子２３０，２３１がそれぞれコンデンサＣ１，Ｃ２により構成され、素子２３２がコイルＬ１により構成されたＣ−Ｌ−ＣのＴ型回路であってもよい。あるいは、電圧電流変換回路２３Ａは、図３Ｂに示されるように、素子２３０，２３１がそれぞれコイルＬ２，Ｌ３により構成され、素子２３２がコンデンサＣ３により構成されたＬ−Ｃ−ＬのＴ型回路であってもよい。

なお、電圧電流変換回路２３ＡがＣ−Ｌ−ＣのＴ型回路により構成される場合、例えばコンデンサＣ１と共振コンデンサ２２はまとめて１つのコンデンサとして形成されてもよい。

上述のとおり、受電装置２０は、電圧電流変換回路２３Ａを備えることにより、受電コイル２１の両端に生じた電圧が電流に変換されて給電対象２６に供給される。これにより、本実施形態では、給電対象２６から見て受電コイル２１が定電流源としてふるまうこととなる。すなわち、本実施形態によると、給電対象２６のインピーダンスによらず給電対象２６に流れる電流の電流量を一定とすることができる。

また、電圧電流変換回路２３Ａは、能動素子を用いることなく３つの受動素子により構成される。従って、例えばＤＣ−ＤＣコンバータや演算装置等を用いて給電対象に流れる電流を一定に制御する構成に比べて、受電装置２０の小型化及び安定化を図ることができ、加えてコストを抑えることができる。

さらに、例えば給電対象２６がバッテリである場合、当該バッテリの充電が空の状態において定電圧がかかると、バッテリに瞬間的に大電流が流れるおそれがある。この点、本実施形態によれば、このような大電流の発生が抑制され、受電装置２０の安全性が向上する。

加えて、電圧電流変換回路２３Ａは、ハイパスフィルタ回路とローパスフィルタ回路を組み合わせた構成である。従って、本実施形態によると、受電コイル２１が受電したノイズの給電対象２６への流入を遮断することができる。

図４は、電圧電流変換回路の他の構成例である電圧電流変換回路２３Ｂの機能を説明するための図である。なお、図４では、図２と同様に、受電装置２０が備える構成のうち、共振コンデンサ２２、整流回路２４、及び平滑回路２５が省略されている。また、以下の説明においては上述の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。

電圧電流変換回路２３Ｂは、いわゆるπ型回路を構成する３つの素子２３３〜２３５を備える。具体的に、素子２３３（第４素子）は、一端が第１端子Ｔ１に接続され、他端が第２端子Ｔ２に接続される。素子２３４（第５素子）は、一端が第１端子Ｔ１に接続され、他端が第３端子Ｔ３に接続される。素子２３５（第６素子）は、一端が第２端子Ｔ２に接続され、他端が第４端子Ｔ４に接続される。

素子２３３〜２３５のインピーダンスをそれぞれＺ４〜Ｚ６とする。まず素子２３３のインピーダンスＺ４と素子２３４のインピーダンスＺ５の和がゼロとなり、素子２３３のインピーダンスＺ４と素子２３５のインピーダンスＺ６の和がゼロとなるように、素子２３３〜２３５の定数を定める。すなわち、インピーダンスＺ４〜Ｚ６は、式（１１）及び式（１２）を満たす。

また、インピーダンスＺ４〜Ｚ６の絶対値は、いずれも負荷インピーダンスＺＬの絶対値と等しくなるように定められ、式（１３）を満たす。

素子２３５の両端には電圧ＶＬが印加されるため、上記式（１３）より、素子２３５のインピーダンスＺ６は下記式（１４）により定められる。

上記式（１１）、式（１２）及び式（１４）より、素子２３３のインピーダンスＺ４及び素子２３４のインピーダンスＺ５は、それぞれ下記式（１５）及び式（１６）により定められる。

なお、上述の電圧電流変換回路２３Ａと同様に、インピーダンスＺ４〜Ｚ６の絶対値は、上記式（１０）から算出されるように、設計値ＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれるように設定することが好ましい。

図５Ａ及び図５Ｂは、電圧電流変換回路２３Ｂの構成例を示す図である。電圧電流変換回路２３Ｂは、例えば図５Ａに示されるように、素子２３３がコンデンサＣ４により構成され、素子２３４，２３５がそれぞれコイルＬ４，Ｌ５により構成されたＬ−Ｃ−Ｌのπ型回路であってもよい。あるいは、電圧電流変換回路２３Ｂは、図５Ｂに示されるように、素子２３３がコイルＬ６により構成され、素子２３４，２３５がそれぞれコンデンサＣ５，Ｃ６により構成されたＣ−Ｌ−Ｃのπ型回路であってもよい。

このように、受電装置２０は、電圧電流変換回路２３Ｂを備える場合であっても、上述の電圧電流変換回路２３Ａを備える場合と同様の効果を得ることができる。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

例えば、上述の受電装置２０は、受電コイル２１と共振コンデンサ２２が直列接続された例が示されているが、これらの受電コイルと共振コンデンサは並列接続されていてもよい。このことは、送電装置１０においても同様である。

１…無線給電システム、１０…送電装置、１１…電源回路、１２…送電コイル、１３…共振コンデンサ、２０…受電装置、２１…受電コイル、２２…共振コンデンサ、２３Ａ，２３Ｂ…電圧電流変換回路、２４…整流回路、２５…平滑回路、２６…給電対象、２３０〜２３５…素子、２４０〜２４３…ダイオード、２５０…コイル、２５１…コンデンサ、２６０…コンデンサ、Ｃ１〜Ｃ６…コンデンサ、Ｌ１〜Ｌ６…コイル、Ｔ１…第１端子、Ｔ２…第２端子、Ｔ３…第３端子、Ｔ４…第４端子

Claims

送電コイルから送電される電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルが受電した電力に応じた電圧を電流に変換する電圧電流変換回路と、
前記電圧電流変換回路の出力電流を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電流を平滑化して給電対象に供給する平滑回路と、を備える、
受電装置。
前記電圧電流変換回路は、
一端が第１端子に接続された第１素子と、
一端が前記第１素子の他端に接続され、他端が第２端子に接続された第２素子と、
一端が前記第１素子の他端及び前記第２素子の一端に接続され、他端が第３端子及び第４端子に接続された第３素子と、
を含むＴ型回路を有し、
前記第１素子のインピーダンスと前記第３素子のインピーダンスの和がゼロであり、前記第２素子のインピーダンスと前記第３素子のインピーダンスの和がゼロである、
請求項１に記載の受電装置。
前記給電対象への供給電圧をＶＬとし、前記給電対象への供給電流をＩＬとすると、前記第１乃至第３素子のインピーダンスの絶対値は、それぞれＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれる、
請求項２に記載の受電装置。
前記電圧電流変換回路は、
一端が第１端子に接続され、他端が第２端子に接続された第４素子と、
一端が前記第１端子に接続され、他端が第３端子に接続された第５素子と、
一端が前記第２端子に接続され、他端が第４端子に接続された第６素子と、
を含むπ型回路を有し、
前記第４素子のインピーダンスと前記第５素子のインピーダンスの和がゼロであり、前記第４素子のインピーダンスと前記第６素子のインピーダンスの和がゼロである、
請求項１に記載の受電装置。
前記給電対象への供給電圧をＶＬとし、前記給電対象への供給電流をＩＬとすると、前記第４乃至第６素子のインピーダンスの絶対値は、それぞれＶＬ／ＩＬの１０〜５０％の範囲に含まれる、
請求項４に記載の受電装置。
請求項１から５のいずれか一項に記載の受電装置と、
前記送電コイル及び当該送電コイルに電源電圧を供給する電源回路を備える送電装置と、を備える、
無線給電システム。