JP2021114855A - Non-contact power supply system - Google Patents

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泰志 相田
Yasushi Aida
泰志 相田
弘樹 石田
Hiroki Ishida
弘樹 石田
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Abstract

To make it possible to detect the presence or absence of a metal foreign matter between a power transmission unit and a power reception unit with a simple structure in a non-contact power supply system of a magnetic resonance type whose resonance frequency is set to be a low frequency.SOLUTION: A magnetic resonance type non-contact power supply system includes a power transmission unit including a primary side resonance circuit connected to a power source and a power reception unit including a secondary side resonance circuit connected to a load. By making a primary side resonance coil in the primary side resonance circuit and a secondary side resonance coil in the secondary side resonance circuit resonant together, the power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit. The non-contact power supply system includes a switch that opens and closes a secondary side main circuit connecting between the secondary side resonance circuit and the load. While the switch opens the secondary side main circuit, the phase of the current or the voltage input to or output from a primary side resonance capacitor in the primary side resonance circuit is detected.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、負荷に非接触で電力を供給できる磁気共鳴型の非接触給電システムに関するものである。 The present invention relates to a magnetic resonance type non-contact power feeding system capable of supplying electric power to a load in a non-contact manner.

従来、例えば携帯型電子機器やロボット掃除機等の機器に非接触で電力を伝送する非接触給電システムとして、磁気共鳴を用いたものが知られている。この磁気共鳴方式の非接触給電システムは、例えば特許文献1に示すように、電源に接続される一次側共振コイルを有する送電ユニットと、バッテリー(負荷ともいう)に接続される二次側共振コイルを有する受電ユニットとを備えており、一次側共振コイルと二次側共振コイルとを共振周波数で共鳴させることにより、送電ユニットから受電ユニットに電力を伝送し、これにより機器に内蔵されたバッテリーを充電することができる。 Conventionally, as a non-contact power supply system that transmits electric power in a non-contact manner to a device such as a portable electronic device or a robot vacuum cleaner, a system using magnetic resonance is known. In this magnetic resonance type non-contact power feeding system, for example, as shown in Patent Document 1, a power transmission unit having a primary resonance coil connected to a power source and a secondary resonance coil connected to a battery (also referred to as a load) are provided. By resonating the primary side resonance coil and the secondary side resonance coil at the resonance frequency, power is transmitted from the power transmission unit to the power reception unit, thereby the battery built in the device. It can be charged.

ところで、このような磁気共鳴方式の非接触給電システムとしては、電力の伝送効率を高くするため、一次側共振コイルと二次側共振コイルの共振周波数(動作周波数ともいう)を例えば10kHz以上の高周波に設定したものが用いられることがある。この場合、例えば充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物等が存在すると、これが高周波の磁界により急激に加熱され、火傷や火災を引き起こす恐れがある。また高周波の磁界によりユーザの健康に悪影響を及ぼす恐れもある。 By the way, in such a magnetic resonance type non-contact power feeding system, in order to increase the power transmission efficiency, the resonance frequency (also referred to as the operating frequency) of the primary side resonance coil and the secondary side resonance coil is set to a high frequency of, for example, 10 kHz or more. The one set in may be used. In this case, for example, if a metal foreign substance or the like exists between the power transmission unit and the power reception unit during charging, it is rapidly heated by a high-frequency magnetic field, which may cause burns or fire. In addition, a high-frequency magnetic field may adversely affect the health of the user.

そこで近年では、動作周波数を低周波(例えば3kHz以下)に設定した非接触給電システムが開発されている。これにより上記した金属異物による発熱の影響や健康への悪影響を低減することができると考えられている。 Therefore, in recent years, a non-contact power feeding system in which the operating frequency is set to a low frequency (for example, 3 kHz or less) has been developed. It is believed that this can reduce the effects of heat generation and adverse health effects caused by the above-mentioned metallic foreign substances.

特開2014−90617号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-90617

しかしながら、上記した動作周波数を低周波に設定したものであっても、充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物が存在すると、過電流によって金属異物の全体が加熱されてしまい、その影響は無視できない。そのため、動作周波数が低周波のものにおいても、送電ユニットと受電ユニットとの間に存在する異物を検知できるようにすることが求められているが、従来簡易な構成によりこれを実現する手段がなかった。 However, even if the above-mentioned operating frequency is set to a low frequency, if metal foreign matter exists between the power transmission unit and the power receiving unit during charging, the entire metal foreign matter is heated by the overcurrent, which has an effect. Cannot be ignored. Therefore, even if the operating frequency is low, it is required to be able to detect foreign matter existing between the power transmission unit and the power receiving unit, but there is no means to realize this by a conventional simple configuration. rice field.

そこで本発明は、共振周波数が低周波に設定された磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて、送電ユニットと受電ユニット間における金属異物の有無を簡易な構成により検知することを主たる課題とするものである。 Therefore, the main object of the present invention is to detect the presence or absence of metallic foreign matter between the power transmission unit and the power reception unit with a simple configuration in a magnetic resonance non-contact power supply system in which the resonance frequency is set to a low frequency. be.

本発明者らは、二次側共振回路と負荷とを切り離し、二次側を無負荷にした状態で一次側共振回路から二次側共振回路に給電を行うと、送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物が存在しない場合には無効電力が増加するだけであるのに対し、送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物が存在している場合には、金属異物に渦電流が生じて電力が消費され、力率が変化することに着眼した。また本発明者らは、金属異物の存在による力率変化により、図2に示すように、一次側共振コンデンサの両端の電圧や電流の位相がシフトすることに着目し、この一次側共振コンデンサの両端の電圧や電流の位相を検出することで、金属異物の有無を検知できることを見出し本願発明に想到した。 When the secondary side resonant circuit and the load are separated from each other and power is supplied from the primary side resonant circuit to the secondary resonant circuit with no load on the secondary side, the present inventors combine the power transmission unit and the power receiving unit. When there is no metallic foreign matter between them, the ineffective power only increases, whereas when there is a metallic foreign matter between the power transmission unit and the power receiving unit, an eddy current is generated in the metal foreign matter. We focused on the consumption of electricity and the change in power factor. Further, the present inventors have focused on the fact that the phase of the voltage and current across the primary resonance capacitor shifts due to the change in power factor due to the presence of a metallic foreign substance, as shown in FIG. We have found that the presence or absence of metallic foreign matter can be detected by detecting the phases of the voltage and current at both ends, and came up with the present invention.

すなわち本発明に係る非接触給電システムは、電源に接続される一次側共振回路を有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側共振回路を有する受電ユニットとを備え、前記一次側共振回路が有する一次側共振コイルと、前記二次側共振回路が有する二次側共振コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型の非接触給電システムであって、前記二次側共振回路と前記負荷とを接続する二次側主回路を開閉するスイッチを備え、前記スイッチが前記二次側主回路を開放している状態で、前記一次側共振回路が有する一次側共振コンデンサに入出力される電圧又は電流の位相を検出するように構成されていることを特徴とする。 That is, the non-contact power supply system according to the present invention includes a power transmission unit having a primary resonance circuit connected to a power source and a power receiving unit having a secondary resonance circuit connected to a load, and the primary resonance circuit is provided. A magnetic resonance type non-contact power supply system that transmits power from the power transmission unit to the power receiving unit by resonating the primary side resonance coil and the secondary side resonance coil of the secondary side resonance circuit. The primary side resonance circuit has a switch for opening and closing the secondary side main circuit connecting the secondary side resonance circuit and the load, and the primary side resonance circuit has the primary side resonance circuit in a state where the switch opens the secondary side main circuit. It is characterized in that it is configured to detect the phase of the voltage or current input / output to / from the side resonance capacitor.

このようにすれば、二次側共振回路と負荷とを接続する二次側主回路を開放した状態で一次側共振コンデンサに入出力される電圧又は電流の位相を検出するように構成しているので、一次側共振コンデンサに入力される電圧又は電流の位相と、一次側共振コンデンサから出力される電圧又は電流の位相との位相差を観察することにより、送電ユニットと受電ユニットとの間における金属異物の有無を検知することができる。回路構成としては、従来のものに対して、二次側主回路を開閉するスイッチを設けるだけでよいので、簡易な構成により金属異物の有無を検知することができる。 In this way, the phase of the voltage or current input to / from the primary side resonance capacitor is detected with the secondary side main circuit connecting the secondary side resonance circuit and the load open. Therefore, by observing the phase difference between the phase of the voltage or current input to the primary resonance capacitor and the phase of the voltage or current output from the primary resonance capacitor, the metal between the power transmission unit and the power reception unit. The presence or absence of foreign matter can be detected. As for the circuit configuration, it is only necessary to provide a switch for opening and closing the secondary side main circuit as compared with the conventional one, so that the presence or absence of metallic foreign matter can be detected by a simple configuration.

前記非接触給電システムの具体的な態様として、前記一次側共振コンデンサに入出力される電流又は電圧の位相差を算出し、当該位相差が所定数値範囲内である場合に、前記送電ユニットと前記受電ユニットとの間に金属異物が無いと判定するものを挙げることができる。この場合、前記非接触給電システムは、前記金属異物が無いと判定すると、前記スイッチを閉じ、前記負荷への電力の供給を開始することが好ましい。 As a specific embodiment of the non-contact power feeding system, the phase difference of the current or voltage input / output to the primary resonance capacitor is calculated, and when the phase difference is within a predetermined numerical range, the power transmission unit and the said Examples thereof include those for determining that there is no metallic foreign matter between the power receiving unit and the power receiving unit. In this case, when the non-contact power feeding system determines that there is no metallic foreign matter, it is preferable to close the switch and start supplying electric power to the load.

前記非接触給電システムの具体的な態様として、算出した前記位相差の値が所定数値範囲を超える場合に前記金属異物が有ると判定するものを挙げることができる。この場合、前記非接触給電システムは、前記金属異物が有ると判定すると、前記送電ユニットから前記受電ユニットへの電力の伝送を停止する、又は伝送する電力量を低減することが好ましい。
このようにすれば、金属異物が存在する場合に、金属異物が急激に加熱されることを防止でき、火傷や火災の発生を抑制できる。
As a specific embodiment of the non-contact power feeding system, when the calculated value of the phase difference exceeds a predetermined numerical range, it can be determined that the metallic foreign matter is present. In this case, when the non-contact power supply system determines that the metallic foreign matter is present, it is preferable to stop the transmission of electric power from the power transmission unit to the power receiving unit or reduce the amount of electric power to be transmitted.
By doing so, it is possible to prevent the metallic foreign matter from being rapidly heated in the presence of the metallic foreign matter, and it is possible to suppress the occurrence of burns and fire.

前記非接触給電システムは、前記スイッチが前記二次側主回路を閉止している状態で、前記送電ユニットから前記受電ユニットへ伝送される電力の給電効率を連続的に測定し、当該給電効率の時間変化に基づいて前記金属異物の有無を判定するように構成されていることが好ましい。
このようにすれば、負荷への給電中における送電ユニットと受電ユニットとの間への金属異物の入り込みを検知することができる。
The non-contact power feeding system continuously measures the power feeding efficiency of the electric power transmitted from the power transmitting unit to the power receiving unit in a state where the switch closes the secondary main circuit, and determines the power feeding efficiency. It is preferable that the structure is such that the presence or absence of the metallic foreign matter is determined based on the time change.
In this way, it is possible to detect the entry of metallic foreign matter between the power transmission unit and the power reception unit while the load is being supplied.

前記非接触給電システムの具体的な態様としては、前記一次側共振コイルと前記二次側共振コイルの共振周波数が3kHz以下であることが挙げられる。 As a specific embodiment of the non-contact power feeding system, the resonance frequency of the primary side resonance coil and the secondary side resonance coil is 3 kHz or less.

このように構成した本発明によれば、共振周波数が低周波に設定された磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて、送電ユニットと受電ユニット間における金属異物の有無を簡易な構成により検知することができる。 According to the present invention configured in this way, in a magnetic resonance non-contact power feeding system in which the resonance frequency is set to a low frequency, the presence or absence of metallic foreign matter between the power transmission unit and the power receiving unit can be detected by a simple configuration. can.

本実施形態の非接触給電システムの回路構成を概略的に示す図。The figure which shows schematic the circuit structure of the non-contact power supply system of this embodiment. 一次側共振コンデンサに入出力される電圧(又は電流)波形の、金属異物の有無による違いを概略的に説明する図。The figure which roughly explains the difference in the voltage (or current) waveform input / output to the primary side resonance capacitor depending on the presence or absence of metallic foreign matter. 同実施形態の非接触給電システムの異物検知動作を説明するフローチャート。The flowchart explaining the foreign matter detection operation of the non-contact power supply system of the same embodiment. 同実施形態の非接触給電システムの異物検知動作を説明するフローチャート。The flowchart explaining the foreign matter detection operation of the non-contact power supply system of the same embodiment.

以下に本発明の一実施形態に係る非接触給電システム100について図面を参照して説明する。 The non-contact power feeding system 100 according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<全体構成>
本実施形態の非接触給電システム100は、例えばロボット掃除機等の電子機器に内蔵されたバッテリー(負荷)4を、充電器により非接触で充電するためのものである。具体的にこの非接触給電システム100は、図1に示すように、電源1に接続される充電器に内蔵された送電ユニット2と、ロボット掃除機に内蔵され、負荷4に接続される受電ユニット3とを備えている。この非接触給電システム100は、送電ユニット2が備える一次側共振コイル231と、受電ユニット3が備える二次側共振コイル311とを対向させるとともに、一次側共振コイル231と二次側共振コイル311とを、3kHz以下の低周波の共振周波数(商用電源周波数であることが好ましい)で共鳴させることにより、送電ユニット2から受電ユニット3に電力を伝送する所謂磁気共鳴方式のものである。以下、詳細に説明する。
<Overall configuration>
The non-contact power supply system 100 of the present embodiment is for non-contact charging of a battery (load) 4 built in an electronic device such as a robot vacuum cleaner by a charger. Specifically, as shown in FIG. 1, the non-contact power supply system 100 includes a power transmission unit 2 built in a charger connected to a power source 1 and a power receiving unit built in a robot vacuum cleaner and connected to a load 4. It has 3 and. In this non-contact power feeding system 100, the primary side resonance coil 231 included in the power transmission unit 2 and the secondary side resonance coil 311 included in the power receiving unit 3 are opposed to each other, and the primary side resonance coil 231 and the secondary side resonance coil 311 are combined with each other. Is a so-called magnetic resonance system in which power is transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 by resonating with a low-frequency resonance frequency of 3 kHz or less (preferably a commercial power supply frequency). Hereinafter, a detailed description will be given.

<送電ユニット>
送電ユニット2は、電源1からの電力を受電ユニット3に伝送するものである。具体的にこの送電ユニット2は、電源1から供給される交流電圧を直流電圧に整流及び平滑化する整流平滑回路21と、整流平滑回路21に並列に接続されて、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路22と、インバータ回路22に並列に接続された一次側共振回路23と、一次側制御部24とを備える。
<Power transmission unit>
The power transmission unit 2 transmits the electric power from the power source 1 to the power receiving unit 3. Specifically, the power transmission unit 2 is connected in parallel to a rectifying and smoothing circuit 21 that rectifies and smoothes an AC voltage supplied from a power source 1 to a DC voltage, and a rectifying and smoothing circuit 21, and transfers a DC voltage to an arbitrary frequency. It includes an inverter circuit 22 that converts to an AC voltage and outputs it, a primary side resonance circuit 23 that is connected in parallel to the inverter circuit 22, and a primary side control unit 24.

整流平滑回路21としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えばダイオードブリッジや平滑コンデンサ等を含んで構成される。またインバータ回路22としても既知の構成のものが適用されてよく、例えば、4つのスイッチング素子から構成したフルブリッジ方式のものが挙げられる。 As the rectifying and smoothing circuit 21, a circuit having a known configuration may be applied, and the rectifying and smoothing circuit 21 includes, for example, a diode bridge and a smoothing capacitor. Further, as the inverter circuit 22, a circuit having a known configuration may be applied, and examples thereof include a full bridge system composed of four switching elements.

一次側共振回路23は、インバータ回路22からの交流電圧が印加されて、振動磁場を発生させるものである。具体的にこの一次側共振回路23は、互いに直列接続された一次側共振コイル231と一次側共振コンデンサ232から構成される、LC直列共振回路である。本実施形態の一次側共振コイル231は、板状の磁性コアに導線を巻回したソレノイド型のものである。 The primary side resonance circuit 23 is for generating an oscillating magnetic field by applying an AC voltage from the inverter circuit 22. Specifically, the primary resonance circuit 23 is an LC series resonant circuit composed of a primary resonant coil 231 and a primary resonant capacitor 232 connected in series with each other. The primary resonance coil 231 of the present embodiment is a solenoid type in which a conducting wire is wound around a plate-shaped magnetic core.

一次側制御部24は、物理的には、CPU、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、少なくとも整流平滑回路21により出力される直流電圧の電圧及びインバータ回路22が出力する交流電圧の周波数を制御するよう機能する。 The primary side control unit 24 is physically provided with a CPU, a memory, an input means, and the like, and is output by at least the rectifying and smoothing circuit 21 by operating according to a predetermined program stored in the memory. It functions to control the frequency of the DC voltage and the frequency of the AC voltage output by the inverter circuit 22.

ここでは一次側制御部24は、一次側共振コンデンサ232に入力される電流及び電圧、並びに一次側共振コンデンサ232から出力される電流及び電圧を検出する検出部としての機能も発揮する。また一次側制御部24は、検出した電流及び電圧に基づいて、一次側共振コンデンサ232に入力される電流及び電圧の位相と、一次側共振コンデンサ232から出力される電流及び電圧の位相をそれぞれ検出するように機能する。 Here, the primary side control unit 24 also functions as a detection unit that detects the current and voltage input to the primary side resonance capacitor 232 and the current and voltage output from the primary side resonance capacitor 232. Further, the primary side control unit 24 detects the phase of the current and voltage input to the primary side resonance capacitor 232 and the phase of the current and voltage output from the primary side resonance capacitor 232, respectively, based on the detected current and voltage. It works to do.

一次側制御部24はまた、後述する受電ユニット3が備える二次側制御部35との間で各種のデータを送受信する通信部としての機能も発揮する。このデータの送受信は、例えば赤外線によるもの(IRDA等)や、近距離無線通信技術(BLE等)等を用いて行われる。 The primary side control unit 24 also functions as a communication unit for transmitting and receiving various data to and from the secondary side control unit 35 included in the power receiving unit 3 described later. The transmission and reception of this data is performed by using, for example, infrared rays (IRDA or the like), short-range wireless communication technology (BLE or the like), or the like.

<受電ユニット>
受電ユニット3は、送電ユニット2から伝送された電力を受け取り、当該電力を負荷4に出力するものである。具体的にこの受電ユニット3は、一次側共振回路23と磁気共鳴して交流電圧を生じさせる二次側共振回路31と、二次側共振回路31から出力された交流電圧を整流する整流回路32と、整流回路32から出力された直流電圧を平滑化する平滑回路33と、平滑化された直流電圧の電圧値を調節して負荷4に電圧を印加する電圧変換回路34と、二次側制御部35とを備える。受電ユニット3が備えるこれらの回路は、互いに並列に接続されており、かつ負荷4に対して並列に接続されている。
<Power receiving unit>
The power receiving unit 3 receives the electric power transmitted from the power transmitting unit 2 and outputs the electric power to the load 4. Specifically, the power receiving unit 3 includes a secondary side resonance circuit 31 that magnetically resonates with the primary side resonance circuit 23 to generate an AC voltage, and a rectifier circuit 32 that rectifies the AC voltage output from the secondary side resonance circuit 31. A smoothing circuit 33 that smoothes the DC voltage output from the rectifier circuit 32, a voltage conversion circuit 34 that adjusts the voltage value of the smoothed DC voltage and applies a voltage to the load 4, and secondary side control. A unit 35 is provided. These circuits included in the power receiving unit 3 are connected in parallel with each other and are connected in parallel with the load 4.

二次側共振回路31は、互いに直列接続された二次側共振コイル311と二次側共振コンデンサ312から構成される、LC直列共振回路である。二次側共振コイル311は、一次側共振コイル231と同様に、板状の磁性コアに導線を巻回したソレノイド型のものである。 The secondary resonance circuit 31 is an LC series resonant circuit composed of a secondary resonant coil 311 and a secondary resonant capacitor 312 connected in series with each other. The secondary resonance coil 311 is a solenoid type in which a conducting wire is wound around a plate-shaped magnetic core, similarly to the primary resonance coil 231.

整流回路32としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えば4つのダイオードから構成されるダイオードブリッジである。整流回路32は、二次側共振コイル311及び二次側共振コンデンサ312に並列接続され、二次側共振コイル311及び二次側共振コンデンサ312に生じた交流電圧を整流(すなわち脈流電圧に変換)する。 As the rectifier circuit 32, a known configuration may be applied, for example, a diode bridge composed of four diodes. The rectifier circuit 32 is connected in parallel to the secondary resonance coil 311 and the secondary resonance capacitor 312, and rectifies (that is, converts the AC voltage generated in the secondary resonance coil 311 and the secondary resonance capacitor 312) the AC voltage generated in the secondary resonance coil 311 and the secondary resonance capacitor 312. )do.

平滑回路33は、整流回路32に並列接続された平滑コンデンサ331を備えており、整流回路32から出力される脈流電圧を平滑化することにより、直流電圧を生成する。平滑コンデンサ331はその一端が整流回路32の出力端に接続され、他端が整流回路32の入力端に接続されている。 The smoothing circuit 33 includes a smoothing capacitor 331 connected in parallel to the rectifier circuit 32, and generates a DC voltage by smoothing the pulsating current voltage output from the rectifier circuit 32. One end of the smoothing capacitor 331 is connected to the output end of the rectifier circuit 32, and the other end is connected to the input end of the rectifier circuit 32.

電圧変換回路34は、平滑回路33で平滑化された直流電圧を所望の電圧に変換するものであり、既知の構成のものが適用されてよい。この電圧変換回路34は、例えば、MOSFETやIGBT等の半導体スイッチやコイルを含んで構成される降圧回路や昇圧回路などが挙げられる。 The voltage conversion circuit 34 converts the DC voltage smoothed by the smoothing circuit 33 into a desired voltage, and a known configuration may be applied. Examples of the voltage conversion circuit 34 include a step-down circuit and a step-up circuit including semiconductor switches and coils such as MOSFETs and IGBTs.

受電ユニット3はまた、二次側共振回路31と負荷4とを接続する二次側主回路30を開閉するスイッチSWを備えている。このスイッチSWは、例えばMOSFET等の半導体スイッチング素子等であり、二次側共振コイル311、二次側共振コンデンサ312及び負荷4と直列に接続される。開放スイッチSWは、二次側制御部35(開閉指令部)から受信した制御信号に基づいてOn・Off状態が切り替わる。 The power receiving unit 3 also includes a switch SW that opens and closes the secondary side main circuit 30 that connects the secondary side resonance circuit 31 and the load 4. This switch SW is, for example, a semiconductor switching element such as a MOSFET, and is connected in series with the secondary side resonance coil 311 and the secondary side resonance capacitor 312 and the load 4. The open switch SW switches the On / Off state based on the control signal received from the secondary side control unit 35 (open / close command unit).

二次側制御部35は、物理的には、CPU、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、開放スイッチSWの開閉を制御する開閉指令部として機能する。また二次側制御部35は、送電ユニット2が備える一次側制御部24との間で各種のデータを送受信する通信部としての機能を発揮する。 The secondary side control unit 35 physically includes a CPU, a memory, an input means, and the like, and controls the opening and closing of the release switch SW by operating according to a predetermined program stored in the memory. Functions as an open / close command unit. Further, the secondary side control unit 35 exerts a function as a communication unit for transmitting and receiving various data to and from the primary side control unit 24 included in the power transmission unit 2.

しかして本実施形態の非接触給電システム100は、負荷4の充電開始前及び充電中において、送電ユニット2と受電ユニット3との間に介在する金属製の異物の有無を検知できるように、一次側制御部24が、スイッチSWが二次側主回路30を開放している状態で、一次側共振回路23が有する一次側共振コンデンサ232に入出力される電圧又は電流の位相を検出し、当該検出した電圧又は電流の位相に基づいて、送電ユニット2と受電ユニット3との間に介在する金属異物の有無を検知するように構成されている。 The non-contact power supply system 100 of the present embodiment is primary so as to be able to detect the presence or absence of metal foreign matter intervening between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 before the start of charging and during charging of the load 4. The side control unit 24 detects the phase of the voltage or current input to / from the primary resonance capacitor 232 of the primary resonance circuit 23 in a state where the switch SW is open to the secondary main circuit 30. Based on the detected voltage or current phase, it is configured to detect the presence or absence of metallic foreign matter intervening between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3.

具体的にこの一次側制御部24は、スイッチSWが二次側主回路30を開放している状態で、インバータ回路22から一次側共振コンデンサ232に入力される電流又は電圧の位相と、一次側共振コンデンサ232から出力される電流又は電圧の位相の位相差を算出するように構成されている。そしてこの一次側共振コンデンサ232に入出力される電流又電圧の位相差と、予めメモリに記憶されている所定の数値範囲(例えば、−5°以上+5°以下)とを比較する。一次側制御部24は、算出した位相差が所定の範囲内である場合には金属異物が存在していないと判定し、算出した位相差が所定の範囲を超えている場合には金属異物が存在していると判定する。 Specifically, the primary side control unit 24 has the phase of the current or voltage input from the inverter circuit 22 to the primary side resonance capacitor 232 and the primary side in a state where the switch SW opens the secondary side main circuit 30. It is configured to calculate the phase difference of the phase of the current or voltage output from the resonance capacitor 232. Then, the phase difference of the current or voltage input / output to the primary resonance capacitor 232 is compared with a predetermined numerical range (for example, −5 ° or more and + 5 ° or less) stored in the memory in advance. The primary side control unit 24 determines that there is no metallic foreign matter when the calculated phase difference is within a predetermined range, and when the calculated phase difference exceeds a predetermined range, a metallic foreign matter is present. Determine that it exists.

金属異物が無いと判定した場合、一次側制御部24は、二次側制御部35に対して、負荷4への給電を開始してよい旨を示す所定の信号を送信する。二次側制御部35は当該信号を受信すると、スイッチSWに制御信号を送信し、スイッチSWを閉止する。 When it is determined that there is no metallic foreign matter, the primary side control unit 24 transmits a predetermined signal indicating that the power supply to the load 4 may be started to the secondary side control unit 35. When the secondary side control unit 35 receives the signal, it transmits a control signal to the switch SW and closes the switch SW.

金属異物が有ると判定した場合、一次側制御部24は、整流平滑回路21及びインバータ回路22に所定の制御信号を送信し、送電ユニット2から受電ユニット3への電力の伝送を停止したり、あるいは伝送する電力量を低減させる。またこの場合、一次側制御部24は、送電ユニット2と受電ユニット3との間に金属異物が存在している旨を報知する。例えば、送電ユニット2に設けられたスピーカ、ランプ、ディスプレイ等の報知手段に、金属異物が存在している旨を報知するための所定の信号を送信する。 When it is determined that there is a metallic foreign substance, the primary side control unit 24 transmits a predetermined control signal to the rectifying smoothing circuit 21 and the inverter circuit 22, and stops the transmission of electric power from the power transmission unit 2 to the power receiving unit 3. Alternatively, the amount of power to be transmitted is reduced. Further, in this case, the primary side control unit 24 notifies that a metallic foreign substance exists between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3. For example, a predetermined signal for notifying the presence of a metallic foreign substance is transmitted to a notification means such as a speaker, a lamp, or a display provided in the power transmission unit 2.

また一次側制御部24は、負荷4に充電している間、送電ユニット2から受電ユニット3へ伝送される電力の給電効率を連続的に測定し、当該給電効率の時間変化に基づいて送電ユニット2と受電ユニット3との間に介在する金属異物の有無を検知するように構成されている。この給電効率は、送電ユニット2に入力される入力電力に対する、受電ユニット3から出力される出力電力の割合(%)である。具体的にこの一次側制御部24は、負荷4を充電している間(スイッチSWが閉止している間)に給電効率が所定割合(例えば2%以上)低下すると、金属異物が存在していると判定する。この場合一次側制御部24は、インバータ回路22から一次側共振回路23に印加する交流電圧を弱めるか、あるいは交流電圧の印加を停止する。またこの場合、一次側制御部24は、送電ユニット2と受電ユニット3との間に金属異物が存在している旨を報知する。 Further, the primary side control unit 24 continuously measures the power supply efficiency of the electric power transmitted from the power transmission unit 2 to the power receiving unit 3 while charging the load 4, and the power transmission unit is based on the time change of the power supply efficiency. It is configured to detect the presence or absence of metal foreign matter intervening between the power receiving unit 3 and the power receiving unit 3. This power supply efficiency is the ratio (%) of the output power output from the power receiving unit 3 to the input power input to the power transmission unit 2. Specifically, in the primary side control unit 24, when the power supply efficiency drops by a predetermined ratio (for example, 2% or more) while the load 4 is being charged (while the switch SW is closed), metallic foreign matter is present. Judge that there is. In this case, the primary side control unit 24 weakens the AC voltage applied from the inverter circuit 22 to the primary side resonance circuit 23, or stops the application of the AC voltage. Further, in this case, the primary side control unit 24 notifies that a metallic foreign substance exists between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3.

次に本実施形態の非接触給電システム100の異物検知動作を説明する。本実施形態の非接触給電システム100の異物検知動作は、負荷4の充電開始前に金属異物の有無を検知する充電前検知モードと、負荷4の充電中に金属異物の有無を検知する充電中検知モードとを有する。 Next, the foreign matter detection operation of the non-contact power supply system 100 of the present embodiment will be described. The foreign matter detection operation of the non-contact power supply system 100 of the present embodiment includes a pre-charging detection mode that detects the presence or absence of metallic foreign matter before the start of charging of the load 4, and charging that detects the presence or absence of metallic foreign matter during charging of the load 4. It has a detection mode.

(充電前検知モード)
このモードでは、まず受電ユニット3のスイッチSWを閉止した状態で、インバータ回路22から一次側共振回路23に低電圧(50V程度)を印加することにより、二次側共振コイル311が受電可能位置にあるかどうかを判定する(ステップS11)。二次側共振コイル311がある場合、送電ユニット2と受電ユニット3との間の金属異物の有無を検知する(ステップS12)。具体的には、受電ユニット3のスイッチSWを開放して受電ユニット3を無負荷にした状態でインバータ回路22から一次側共振回路23に交流電圧を印加し、インバータ回路22から一次側共振コンデンサ232に入力される電圧又は電流の位相と、一次側共振コンデンサ232から出力される電圧又は電流の位相との位相差が所定数値範囲内(±5°以内)にあるか否かを判断する。一次側共振コンデンサ232の両端の電圧又は電流の位相差が所定数値範囲内であれば、金属異物がないと判定し、スイッチSWを閉止して、負荷4への給電を開始する(ステップS13)。一方で、一次側共振コンデンサ232の両端の電圧又は電流の位相差が所定数値範囲を超える場合には、金属異物がある旨をスピーカ等により報知する(ステップS14)。
(Pre-charging detection mode)
In this mode, first, with the switch SW of the power receiving unit 3 closed, a low voltage (about 50V) is applied from the inverter circuit 22 to the primary resonance circuit 23, so that the secondary resonance coil 311 is in a position where power can be received. It is determined whether or not there is (step S11). When the secondary resonance coil 311 is present, the presence or absence of metallic foreign matter between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 is detected (step S12). Specifically, an AC voltage is applied from the inverter circuit 22 to the primary resonance circuit 23 in a state where the switch SW of the power receiving unit 3 is opened and the power receiving unit 3 is unloaded, and the primary resonance capacitor 232 is applied from the inverter circuit 22. It is determined whether or not the phase difference between the phase of the voltage or current input to the inverter and the phase of the voltage or current output from the primary resonance capacitor 232 is within a predetermined numerical range (within ± 5 °). If the phase difference between the voltage or current across the primary resonance capacitor 232 is within a predetermined numerical range, it is determined that there is no metal foreign matter, the switch SW is closed, and power supply to the load 4 is started (step S13). .. On the other hand, when the phase difference between the voltage or current across the primary resonance capacitor 232 exceeds a predetermined numerical range, a speaker or the like notifies that there is a metallic foreign substance (step S14).

(充電中検知モード)
このモードでは、送電ユニット2から受電ユニット3への給電効率を連続的に測定し、負荷4への給電中に給電効率が所定割合(%)以上低下するか否かを判断する(ステップS21)。給電効率が所定割合以上を低下しない場合には、送電ユニット2と受電ユニット3との間に金属異物がないと判断し、そのまま負荷4への給電を行い続ける。一方で、負荷4への給電中に給電効率が所定割合(%)以上低下した場合には、送電ユニット2と受電ユニット3との間に金属異物があると判断し、送電ユニット2から受電ユニット3への電力の伝送を停止又は弱める(ステップS22)。さらに、金属異物がある旨をスピーカ等により報知する(ステップS23)。
(Charging detection mode)
In this mode, the power feeding efficiency from the power transmitting unit 2 to the power receiving unit 3 is continuously measured, and it is determined whether or not the power feeding efficiency drops by a predetermined ratio (%) or more while the load 4 is being fed (step S21). .. If the power supply efficiency does not decrease by a predetermined ratio or more, it is determined that there is no metal foreign matter between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3, and power supply to the load 4 is continued as it is. On the other hand, if the power supply efficiency drops by a predetermined ratio (%) or more while power is being supplied to the load 4, it is determined that there is a metallic foreign substance between the power transmission unit 2 and the power reception unit 3, and the power transmission unit 2 sends the power reception unit. Stop or weaken the transmission of power to 3 (step S22). Further, the presence of metallic foreign matter is notified by a speaker or the like (step S23).

<本実施形態の効果>
このように構成した本実施形態の非接触給電システム100によれば、スイッチSWが二次側主回路30を開放している状態で、インバータ回路22から一次側共振コンデンサ232に入力される電流又は電圧の位相と、一次側共振コンデンサ232から出力される電流又は電圧の位相の位相差を算出するように構成しているので、負荷4への給電を開始する前に、送電ユニット2と受電ユニット3との間における金属異物の有無を検知することができる。また、スイッチSWを閉じた状態で、送電ユニット2から受電ユニット3へ伝送される電力の給電効率を連続的に測定し、当該給電効率の時間変化に基づいて送電ユニット2と受電ユニット3との間に介在する金属異物の有無を判定するように構成しているので、負荷4への給電を開始した後においても、金属異物の入り込みを検知することができる。
<Effect of this embodiment>
According to the non-contact power supply system 100 of the present embodiment configured in this way, the current input from the inverter circuit 22 to the primary side resonance capacitor 232 or the current input from the inverter circuit 22 to the primary side resonance capacitor 232 in a state where the switch SW opens the secondary side main circuit 30. Since it is configured to calculate the phase difference between the phase of the voltage and the phase of the current or voltage output from the primary resonance capacitor 232, the power transmission unit 2 and the power receiving unit are before starting power supply to the load 4. It is possible to detect the presence or absence of a metallic foreign substance between the three. Further, with the switch SW closed, the power supply efficiency of the power transmitted from the power transmission unit 2 to the power reception unit 3 is continuously measured, and the power transmission unit 2 and the power reception unit 3 are connected to each other based on the time change of the power supply efficiency. Since it is configured to determine the presence or absence of metal foreign matter intervening between them, it is possible to detect the entry of metal foreign matter even after the power supply to the load 4 is started.

<その他の変形実施形態>
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。
<Other modified embodiments>
The present invention is not limited to the above embodiment.

前記実施形態においてスイッチング素子342は、MOSFETやIGBT等の半導体スイッチであったが、これに限らずダイオードであってもよい。 In the above embodiment, the switching element 342 is a semiconductor switch such as a MOSFET or an IGBT, but the switching element 342 is not limited to this and may be a diode.

前記実施形態における非接触給電システム100はロボット掃除機の充電に限らず、携帯電話やスマートホン等の他の電子機器の充電に用いられてもよい。 The non-contact power supply system 100 in the above embodiment is not limited to charging a robot vacuum cleaner, but may be used for charging other electronic devices such as mobile phones and smartphones.

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や組合せを行っても構わない。 In addition, various embodiments may be modified or combined as long as they do not contradict the gist of the present invention.

100 ・・・非接触給電システム
1 ・・・電源
231 ・・・一次側共振コイル
232 ・・・一次側共振コンデンサ
3 ・・・受電ユニット
311 ・・・二次側共振コイル
4 ・・・負荷
SW ・・・スイッチ
100 ・ ・ ・ Non-contact power supply system 1 ・ ・ ・ Power supply 231 ・ ・ ・ Primary side resonance coil 232 ・ ・ ・ Primary side resonance capacitor 3 ・ ・ ・ Power receiving unit 311 ・ ・ ・ Secondary side resonance coil 4 ・ ・ ・ Load SW ···switch

Claims (7)

電源に接続される一次側共振回路を有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側共振回路を有する受電ユニットとを備え、前記一次側共振回路が有する一次側共振コイルと、前記二次側共振回路が有する二次側共振コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型の非接触給電システムであって、
前記二次側共振回路と前記負荷とを接続する二次側主回路を開閉するスイッチを備え、
前記スイッチが前記二次側主回路を開放している状態で、前記一次側共振回路が有する一次側共振コンデンサに入出力される電圧又は電流の位相を検出するように構成された非接触給電システム。
A power transmission unit having a primary resonance circuit connected to a power source and a power receiving unit having a secondary resonance circuit connected to a load are provided, and a primary resonance coil included in the primary resonance circuit and a secondary resonance coil are provided. It is a magnetic resonance type non-contact power feeding system that transmits power from the power transmitting unit to the power receiving unit by resonating with the secondary resonance coil of the resonance circuit.
A switch for opening and closing the secondary side main circuit connecting the secondary side resonance circuit and the load is provided.
A non-contact power supply system configured to detect the phase of voltage or current input to / from the primary resonance capacitor of the primary resonance circuit while the switch has the secondary main circuit open. ..
前記一次側共振コンデンサに入出力される電流又は電圧の位相差を算出し、当該位相差が所定数値範囲内である場合に、前記送電ユニットと前記受電ユニットとの間に金属異物が無いと判定する請求項1に記載の非接触給電システム。 The phase difference of the current or voltage input / output to the primary resonance capacitor is calculated, and when the phase difference is within a predetermined numerical range, it is determined that there is no metallic foreign matter between the power transmission unit and the power receiving unit. The non-contact power supply system according to claim 1. 前記金属異物が無いと判定した場合に、前記スイッチを閉じ、前記負荷への電力の供給を開始する請求項2に記載の非接触給電システム。 The non-contact power supply system according to claim 2, wherein when it is determined that there is no metallic foreign matter, the switch is closed and power is started to be supplied to the load. 算出した前記位相差の値が前記所定数値範囲を超える場合に前記金属異物が有ると判定する請求項2又は3に記載の非接触給電システム。 The non-contact power feeding system according to claim 2 or 3, wherein when the calculated value of the phase difference exceeds the predetermined numerical range, it is determined that the metallic foreign matter is present. 前記金属異物が有ると判定した場合に、前記送電ユニットから前記受電ユニットへの電力の伝送を停止する、又は伝送する電力量を低減する請求項4に記載の非接触給電システム。 The non-contact power supply system according to claim 4, wherein when it is determined that the metal foreign matter is present, the transmission of electric power from the power transmission unit to the power receiving unit is stopped or the amount of electric power to be transmitted is reduced. 前記スイッチが前記二次側主回路を閉止している状態で、前記送電ユニットから前記受電ユニットへ伝送される電力の給電効率を連続的に測定し、当該給電効率の時間変化に基づいて前記金属異物の有無を判定する請求項1〜5のいずれか一項に記載の非接触給電システム。 With the switch closing the secondary side main circuit, the power supply efficiency of the electric power transmitted from the power transmission unit to the power receiving unit is continuously measured, and the metal is based on the time change of the power supply efficiency. The non-contact power supply system according to any one of claims 1 to 5, which determines the presence or absence of foreign matter. 前記一次側共振コイルと前記二次側共振コイルの共振周波数が3kHz以下である請求項1〜6のいずれか一項に記載の非接触給電システム。 The non-contact power feeding system according to any one of claims 1 to 6, wherein the resonance frequency of the primary side resonance coil and the secondary side resonance coil is 3 kHz or less.
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