JP2022012250A - Power reception device, power transmission device and wireless power transmission system - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、受電装置、送電装置、および無線電力伝送システムに関する。 The present disclosure relates to a power receiving device, a power transmitting device, and a wireless power transmission system.
近年、携帯電話機および電気自動車などの移動性を伴う機器に、無線すなわち非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術の開発が進められている。無線電力伝送技術には、磁界結合方式および電界結合方式などの方式がある。 In recent years, the development of wireless power transmission technology for transmitting electric power wirelessly, that is, non-contactly, to mobile devices such as mobile phones and electric vehicles has been promoted. Wireless power transmission technology includes methods such as a magnetic field coupling method and an electric field coupling method.
磁界結合方式による無線電力伝送システムでは、送電コイルと受電コイルとが対向した状態で、送電コイルから受電コイルに無線で電力が伝送される。特許文献1から3は、磁界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示している。
In a wireless power transmission system based on a magnetic field coupling method, power is wirelessly transmitted from the power transmission coil to the power reception coil with the power transmission coil and the power reception coil facing each other.
他方、電界結合方式による無線電力伝送システムでは、2つ以上の送電電極と2つ以上の受電電極とが対向した状態で、送電電極から受電電極に無線で電力が伝送される。電界結合方式による無線電力伝送システムは、例えば床面に設けられた複数の送電電極から、バッテリなどの負荷を備えた移動体に電力を供給する用途で用いられ得る。特許文献4は、電界結合方式による無線電力伝送システムの例を開示している。 On the other hand, in a wireless power transmission system based on an electric field coupling method, power is wirelessly transmitted from a power transmission electrode to a power receiving electrode in a state where two or more power transmission electrodes and two or more power receiving electrodes face each other. A wireless power transmission system based on an electric field coupling method can be used in an application of supplying power to a moving body having a load such as a battery from a plurality of power transmission electrodes provided on a floor surface, for example. Patent Document 4 discloses an example of a wireless power transmission system by an electric field coupling method.
無線電力伝送システムにおいては、安全性および電力伝送の安定性のために、受電装置から送電装置に通信を行う構成が一般に採用されている。例えば特許文献3は、負荷変調によって受電装置から送電装置に信号を伝達する無線電力伝送システムの例を開示している。 In a wireless power transmission system, a configuration in which a power receiving device communicates with a power transmitting device is generally adopted for safety and stability of power transmission. For example, Patent Document 3 discloses an example of a wireless power transmission system that transmits a signal from a power receiving device to a power transmitting device by load modulation.
本開示は、受電装置から送電装置への通信をより簡単な構成で実現するための技術を提供する。 The present disclosure provides a technique for realizing communication from a power receiving device to a power transmitting device with a simpler configuration.
本開示の一態様に係る受電装置は、送電装置と受電装置とを備える無線電力伝送システムにおいて用いられる。前記受電装置は、前記送電装置が備える送電アンテナから無線で伝送された交流電力を受け取る受電アンテナと、複数のスイッチング素子、および前記複数のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードを含むブリッジ回路を有し、前記受電アンテナが受け取った前記交流電力を直流電力に変換して出力する整流回路と、前記送電装置に伝達すべき情報に応じて前記複数のスイッチング素子を制御することにより、前記受電アンテナおよび前記送電アンテナを介して、前記送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を変調させ、前記情報を前記送電装置に伝達する受電制御回路と、を備える。 The power receiving device according to one aspect of the present disclosure is used in a wireless power transmission system including a power transmitting device and a power receiving device. The power receiving device is a bridge including a power receiving antenna that receives AC power wirelessly transmitted from a power transmitting antenna included in the power transmitting device, a plurality of switching elements, and a plurality of diodes connected in parallel to the plurality of switching elements. By controlling the rectifying circuit having a circuit and converting the AC power received by the power receiving antenna into DC power and outputting the AC power, and controlling the plurality of switching elements according to the information to be transmitted to the power transmission device. It comprises a power receiving control circuit that modulates at least one of a current and a voltage in the power transmitting device through the power receiving antenna and the power transmitting antenna and transmits the information to the power transmitting device.
本開示の包括的または具体的な態様は、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラム、または記録媒体で実現されてもよい。あるいは、システム、装置、方法、集積回路、コンピュータプログラムおよび記録媒体の任意な組み合わせで実現されてもよい。 Comprehensive or specific embodiments of the present disclosure may be implemented in systems, devices, methods, integrated circuits, computer programs, or recording media. Alternatively, it may be realized by any combination of a system, an apparatus, a method, an integrated circuit, a computer program and a recording medium.
本開示の技術によれば、受電装置から送電装置への通信をより簡単な構成で実現することができる。 According to the technique of the present disclosure, communication from a power receiving device to a power transmitting device can be realized with a simpler configuration.
(本開示の基礎となった知見)
本開示の実施形態を説明する前に、本開示の基礎となった知見を説明する。
(Findings underlying this disclosure)
Before explaining the embodiments of the present disclosure, the findings underlying the present disclosure will be described.
図1は、電界結合方式による無線電力伝送システムの一例を模式的に示す図である。「電界結合方式」とは、複数の送電電極を含む送電電極群と複数の受電電極を含む受電電極群との間の電界結合(「容量結合」とも称する。)により、送電電極群から受電電極群に、無線すなわち非接触で電力が伝送される伝送方式をいう。簡単のため、送電電極群および受電電極群の各々が、2つの電極の対によって構成される例をまず説明する。 FIG. 1 is a diagram schematically showing an example of a wireless power transmission system by an electric field coupling method. The "electric field coupling method" is a power receiving electrode group including a plurality of power transmitting electrodes and a power receiving electrode group including a plurality of power receiving electrodes by electric field coupling (also referred to as "capacitive coupling"). Group refers to a transmission method in which power is transmitted wirelessly, that is, in a non-contact manner. For simplicity, an example in which each of the power transmission electrode group and the power reception electrode group is composed of a pair of two electrodes will be described first.
図1に示す無線電力伝送システムは、受電装置を備えた移動体10に無線で電力を伝送するシステムである。この例における移動体10は、無人搬送車(Automated Guided Vehicle:AGV)である。移動体10は、例えば工場または倉庫において物品の搬送に用いられる。このシステムでは、床面30に平板状の一対の送電電極120a、120bが配置されている。一対の送電電極120a、120bは、第1の方向(図1におけるY方向)に延びた形状を有する。一対の送電電極120a、120bには、不図示の送電回路から交流電力が供給される。
The wireless power transmission system shown in FIG. 1 is a system that wirelessly transmits power to a
移動体10は、一対の送電電極120a、120bに対向する不図示の一対の受電電極を備えている。移動体10は、送電電極120a、120bから伝送された交流電力を、一対の受電電極によって受け取る。受け取った電力は、移動体10が有するモータ、二次電池、または蓄電用のキャパシタなどの負荷に供給される。これにより、移動体10の充電または駆動が行われる。
The
図1には、互いに直交するX、Y、Z方向を示すXYZ座標が示されている。以下の説明では、図示されているXYZ座標を用いる。送電電極120a、120bが延びる方向をY方向、送電電極120a、120bの表面に垂直な方向をZ方向、Y方向およびZ方向に垂直な方向をX方向とする。X方向は、送電電極120a、120bが並ぶ方向である。なお、本願の図面に示される構造物の向きは、説明のわかりやすさを考慮して設定されており、本開示の実施形態が現実に実施されるときの向きをなんら制限するものではない。また、図面に示されている構造物の全体または一部分の形状および大きさも、現実の形状および大きさを制限するものではない。
FIG. 1 shows XYZ coordinates indicating X, Y, and Z directions orthogonal to each other. In the following description, the illustrated XYZ coordinates are used. The direction in which the
図2は、図1に示す無線電力伝送システムの概略的な構成を示す図である。この無線電力伝送システムは、送電装置100と、移動体10とを備える。移動体10は、受電装置200と、負荷300とを備える。
FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the wireless power transmission system shown in FIG. 1. This wireless power transmission system includes a
送電装置100は、一対の送電電極120a、120bと、送電電極120a、120bに交流電力を供給する送電回路110とを備える。送電回路110は、例えば、インバータ回路を含む交流出力回路である。送電回路110は、不図示の電源から供給された直流電力を、電力伝送用の交流電力に変換して一対の送電電極120a、120bに出力する。送電回路110は、送電電極120a、120bとインバータ回路との間に、インピーダンス整合のための整合回路を備えていてもよい。電源は、直流電源に限らず交流電源であってもよい。電源が交流電源である場合、インバータ回路に代えて、入力された交流電力を、例えば異なる周波数または電圧を有する他の交流電力に変換して出力する電力変換回路が用いられ得る。
The
受電装置200は、一対の受電電極220a、220bと、受電回路210と、負荷300とを備える。受電回路210は、受電電極220a、220bが受け取った交流電力を負荷300が要求する他の形態の電力に変換して負荷300に供給する。受電回路210は、負荷300が要求する所定の電圧の直流電力または所定の周波数および電圧の交流電力を出力する。受電回路210は、例えば整流回路およびインピーダンス整合回路などの、各種の回路を含み得る。負荷300は、例えばモータ、蓄電用のキャパシタ、または二次電池などの、電力を消費または蓄える機器、およびそれらの機器を制御する回路を含み得る。一対の送電電極120a、120bと、一対の受電電極220a、220bとの間の電界結合により、両者が対向した状態で電力が無線で伝送される。
The
送電電極120a、120bおよび受電電極220a、220bの各々は、2つ以上の部分に分割されていてもよい。例えば、図3および図4に示すような構成を採用してもよい。
Each of the
図3および図4は、送電電極群および受電電極群の各々が4つの電極を含む無線電力伝送システムの例を示す図である。この例では、送電装置100は、2つの第1送電電極120aと、2つの第2送電電極120bとを備える。2つの第1送電電極120aおよび2つの第2送電電極120bは、交互に並んでいる。受電装置200も同様に、2つの第1受電電極220aと、2つの第2受電電極220bとを備える。2つの第1受電電極220aおよび2つの第2受電電極220bも、交互に並んでいる。電力伝送時には、2つの第1受電電極220aは、2つの第1送電電極120aにそれぞれ対向し、2つの第2受電電極220bは、2つの第2送電電極120bにそれぞれ対向する。
3 and 4 are diagrams showing an example of a wireless power transmission system in which each of the power transmission electrode group and the power reception electrode group includes four electrodes. In this example, the
送電回路110は、交流電力を出力する2つの端子を備えている。一方の端子は、2つの第1送電電極120aに接続され、他方の端子は、2つの第2送電電極120bに接続される。電力伝送の際、送電回路110は、2つの第1送電電極120aに第1の電圧を印加し、2つの第2送電電極120bに、第1の電圧とは逆の位相の第2の電圧を印加する。これにより、4つの送電電極を含む送電電極群と4つの受電電極を含む受電電極群との間の電界結合によって電力が無線で伝送される。このような構成によれば、隣り合う任意の2つの送電電極の境界上の漏洩電界を抑制する効果を得ることができる。このように、送電装置100および受電装置200の各々において、送電または受電を行う電極の数は2個に限定されない。
The
以下の実施形態では、図1および図2に示すように、送電装置100が2つの送電電極を備え、受電装置200が2つの受電電極を備えた構成を主に説明する。以下の各実施形態において、送電電極群および受電電極群の各々は、図3および図4に例示されるように、2つよりも多くの電極を含んでいてもよい。いずれの場合も、ある瞬間に第1の電圧が印加される電極と、第1の電圧とは逆の位相の第2の電圧が印加される電極とが交互に並ぶように配置される。ここで「逆の位相」とは、位相差が180度である場合に限らず、位相差が90度から270度の範囲内である場合を含むものと定義する。以下の説明において、送電装置100が備える複数の送電電極を区別せずに「送電電極120」と称し、受電装置200が備える複数の受電電極を区別せずに「受電電極220」と称することがある。
In the following embodiments, as shown in FIGS. 1 and 2, a configuration in which the
上記のような無線電力伝送システムによれば、移動体10は、送電電極120に沿って移動しながら、無線で電力を受け取ることができる。移動体10は、送電電極120と受電電極220とが近接して対向した状態を保ちながら、送電電極120に沿って移動することができる。これにより、移動体10は、例えばバッテリまたはキャパシタ等の蓄電デバイスを充電しながら移動することができる。
According to the wireless power transmission system as described above, the
上記のような無線電力伝送システムにおいては、安全性および電力伝送の安定性の観点から、受電装置200から送電装置100に信号を送信することが求められる場合がある。例えば、受電装置200や負荷300に何らかの異常が生じた場合、または蓄電デバイスが満充電に近い状態になった場合に、受電装置200から送電装置100に通知を送り、送電を停止または抑制することが求められる場合がある。あるいは、負荷300の動作状態(例えば、電圧または電流等)を受電装置200から送電装置100に通知し、送電装置100が負荷の動作状態に応じて送電電力を調整することが求められる場合がある。
In the wireless power transmission system as described above, it may be required to transmit a signal from the
受電装置200から送電装置100に情報を伝達する方法には、種々の方法が考えられる。例えば、ZigBee(登録商標)またはBluetooth(登録商標)などの無線通信規格に準拠した通信モジュールを用いて、受電装置200から送電装置100に信号を送信することができる。あるいは、受電装置200に設けられた負荷変調回路のインピーダンスを変化させることにより、送電装置100内の電流または電圧を変動させ、それによって信号を伝達することができる。
Various methods can be considered as a method of transmitting information from the
しかし、上記のような方法では、受電装置200に、情報通信のための回路を別途設ける必要性が生じる。また、無線通信による方法では、通信の遅延が発生することがある。より簡単な構成で、受電装置200から送電装置100に高速に信号を伝達することが求められる。この課題は、上記の電界結合方式による無線電力伝送システムに限らず、例えばコイル間の磁界結合を利用した磁界結合方式の無線電力伝送システムにおいても同様に発生し得る。
However, in the above method, it becomes necessary to separately provide a circuit for information communication in the
以上の考察に基づき、本発明者らは、以下に説明する本開示の実施形態の構成に想到した。以下、本開示の実施形態の概要を説明する。 Based on the above considerations, the inventors have come up with the configuration of the embodiments of the present disclosure described below. Hereinafter, an outline of the embodiments of the present disclosure will be described.
本開示の一実施形態に係る受電装置は、送電装置と受電装置とを備える無線電力伝送システムにおいて用いられる。前記受電装置は、受電アンテナと、整流回路と、受電制御回路とを備える。前記受電アンテナは、前記送電装置が備える送電アンテナから無線で伝送された交流電力を受け取る。前記整流回路は、複数のスイッチング素子、および前記複数のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードを含むブリッジ回路を有し、前記受電アンテナが受け取った前記交流電力を直流電力に変換して出力する。前記受電制御回路は、前記送電装置に伝達すべき情報に応じて前記複数のスイッチング素子を制御することにより、前記受電アンテナおよび前記送電アンテナを介して、前記送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を変調させ、前記情報を前記送電装置に伝達する。 The power receiving device according to the embodiment of the present disclosure is used in a wireless power transmission system including a power transmitting device and a power receiving device. The power receiving device includes a power receiving antenna, a rectifier circuit, and a power receiving control circuit. The power receiving antenna receives AC power wirelessly transmitted from a power transmission antenna included in the power transmission device. The rectifier circuit has a plurality of switching elements and a bridge circuit including a plurality of diodes connected in parallel to the plurality of switching elements, respectively, and converts the AC power received by the power receiving antenna into DC power. Output. The power receiving control circuit controls at least one of the current and the voltage in the power transmission device via the power receiving antenna and the power transmission antenna by controlling the plurality of switching elements according to the information to be transmitted to the power transmission device. Is modulated, and the information is transmitted to the power transmission device.
ここで、「送電アンテナ」は、前述の送電電極および送電コイルなどの、電力を空間に送出する要素である。「受電アンテナ」は、前述の受電電極および受電コイルなどの、送電アンテナから送出された電力を受け取る要素である。電界結合方式の無線電力伝送システムにおいては、送電アンテナは2つ以上の送電電極を含み、受電アンテナは2つ以上の受電電極を含む。一方、磁界結合方式の無線電力伝送システムにおいては、送電アンテナは送電コイルを含み、受電アンテナは受電コイルを含む。本明細書においては、主に電界結合方式の無線電力伝送システムの例を説明するが、本開示の技術は、磁界結合方式の無線電力伝送システムにも同様に適用することができる。 Here, the "power transmission antenna" is an element that sends electric power to space, such as the above-mentioned power transmission electrode and power transmission coil. The “power receiving antenna” is an element that receives power transmitted from the power transmission antenna, such as the above-mentioned power receiving electrode and power receiving coil. In an electric field coupling type wireless power transmission system, a power transmitting antenna includes two or more power transmitting electrodes, and a power receiving antenna includes two or more power receiving electrodes. On the other hand, in the magnetic field coupling type wireless power transmission system, the power transmission antenna includes a power transmission coil, and the power reception antenna includes a power reception coil. Although the present specification mainly describes an example of an electric field coupling type wireless power transmission system, the technique of the present disclosure can be similarly applied to a magnetic field coupling type wireless power transmission system.
上記の構成によれば、複数のスイッチング素子、および複数のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードを含むブリッジ回路を有する整流回路が用いられる。送電装置に伝達すべき情報に応じて複数のスイッチング素子を制御することにより、受電アンテナおよび送電アンテナを介して、送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を変調させ、情報を前記送電装置に伝達することができる。これにより、整流回路とは別に通信用の回路を設けることなく、受電装置から送電装置に情報を伝達することができる。 According to the above configuration, a rectifier circuit having a plurality of switching elements and a bridge circuit including a plurality of diodes connected in parallel to the plurality of switching elements is used. By controlling a plurality of switching elements according to the information to be transmitted to the power transmission device, at least one of the current and the voltage in the power transmission device is modulated through the power receiving antenna and the power transmission antenna, and the information is transmitted to the power transmission device. can do. As a result, information can be transmitted from the power receiving device to the power transmission device without providing a communication circuit separately from the rectifier circuit.
なお、本開示の技術は、無線通信または負荷変調などの他の方式の通信技術と併用してもよい。すなわち、受電装置は、上記の整流回路とは別に、無線通信回路、または負荷変調回路などの、他の通信手段を備えていてもよい。複数の通信手段を備えることにより、目的に応じた多様な信号の送信が可能である。 The technique of the present disclosure may be used in combination with other communication techniques such as wireless communication or load modulation. That is, the power receiving device may include other communication means such as a wireless communication circuit or a load modulation circuit in addition to the above-mentioned rectifier circuit. By providing a plurality of communication means, it is possible to transmit various signals according to the purpose.
上記の構成において、受電制御回路は、送電装置に伝達すべき情報に応じた信号を生成する信号生成回路と、整流回路の各スイッチング素子を制御する駆動回路とを含み得る。信号生成回路は、例えば、受電装置が受け取った電力の状態、または負荷の状態に応じた信号を生成することができる。ここで負荷には、例えば、整流回路から出力された直流電力によって充電される蓄電デバイス、または当該直流電力によって動作する電気モータなどの、電力によって動作する任意の機器が含まれ得る。 In the above configuration, the power receiving control circuit may include a signal generation circuit that generates a signal according to information to be transmitted to the power transmission device, and a drive circuit that controls each switching element of the rectifier circuit. The signal generation circuit can generate a signal according to, for example, the state of the electric power received by the power receiving device or the state of the load. Here, the load may include any device operated by electric power, for example, a power storage device charged by DC electric power output from a rectifying circuit, or an electric motor operated by the DC electric power.
前記整流回路における前記ブリッジ回路は、前記複数のスイッチング素子としてそれぞれ機能する複数の酸化膜半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)を含み得る。その場合、前記複数のMOSFETの寄生ダイオードが前記複数のダイオードとして機能する。前記受電制御回路は、伝達すべき前記情報に応じて前記複数のMOSFETの各々のゲート電圧を制御することにより、前記情報を前記送電装置に伝達することができる。 The bridge circuit in the rectifier circuit may include a plurality of oxide semiconductor field effect transistors (MOSFETs) each functioning as the plurality of switching elements. In that case, the parasitic diodes of the plurality of MOSFETs function as the plurality of diodes. The power receiving control circuit can transmit the information to the power transmission device by controlling the gate voltage of each of the plurality of MOSFETs according to the information to be transmitted.
上記の構成では、1つのMOSFETが、スイッチング素子およびダイオードの両方の機能を備える。このように、スイッチング素子およびダイオードは、別々に設けられている必要はなく、1つの回路素子によって実現されていてもよい。 In the above configuration, one MOSFET has the functions of both a switching element and a diode. As described above, the switching element and the diode do not need to be provided separately, and may be realized by one circuit element.
前記受電制御回路は、前記複数のスイッチング素子を第1のスイッチングパターンで制御する第1の動作モードと、前記複数のスイッチング素子を第2のスイッチングパターンで制御する第2の動作モードとを切り替えることにより、前記情報を前記送電装置に伝達するように構成され得る。第1のスイッチングパターンは、例えば整流回路に整流動作を実行させるパターンであり得る。前記受電制御回路は、前記第1の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を周期的に変化させることによって前記整流回路に整流動作を実行させることができる。 The power receiving control circuit switches between a first operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the first switching pattern and a second operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the second switching pattern. Can be configured to transmit the information to the power transmission device. The first switching pattern may be, for example, a pattern that causes a rectifier circuit to execute a rectifier operation. In the first operation mode, the power receiving control circuit can cause the rectifier circuit to execute a rectifier operation by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements.
第2のスイッチングパターンは、第1のスイッチングパターンとは異なる任意のパターンであり得る。第2のスイッチングパターンで整流回路を駆動する第2の動作モードを追加することにより、前記受電アンテナおよび前記送電アンテナを介して送電装置に所望の信号を伝達することができる。 The second switching pattern can be any pattern different from the first switching pattern. By adding a second operation mode for driving the rectifier circuit in the second switching pattern, a desired signal can be transmitted to the power transmission device via the power receiving antenna and the power transmission antenna.
前記受電制御回路は、前記第2の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の全てをオフにし、前記複数のダイオードを経由して電流が流れる状態にすることにより、前記情報を前記送電装置に伝達してもよい。 The power receiving control circuit transmits the information to the power transmission device by turning off all of the plurality of switching elements in the second operation mode so that a current flows through the plurality of diodes. You may.
前記受電制御回路は、前記第1の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を、第1のデューティ比で周期的に変化させることによって前記整流回路に整流動作を実行させ、前記第2の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を、第2のデューティ比で周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達してもよい。 The power receiving control circuit executes a rectifying operation on the rectifying circuit by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements at the first duty ratio in the first operation mode. In the second operation mode, the information may be transmitted to the power transmission device by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements at the second duty ratio. good.
前記ブリッジ回路は、前記交流電力が入力される第1および第2の入力端子と、前記直流電力が出力される第1および第2の出力端子とを備え得る。前記複数のスイッチング素子は、前記第1の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、前記第2の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第2のスイッチング素子と、前記第1の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第3のスイッチング素子と、前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第4のスイッチング素子とを含み得る。前記受電制御回路は、前記第1の動作モードにおいて、前記第1および第4のスイッチング素子をオン、前記第2および第3のスイッチング素子をオフにした状態と、前記第1および第4のスイッチング素子をオフ、前記第2および第3のスイッチング素子をオンにした状態とを周期的に変化させることにより、前記整流回路に整流動作を実行させることができる。 The bridge circuit may include first and second input terminals to which the AC power is input and first and second output terminals to which the DC power is output. The plurality of switching elements are between a first switching element connected between the first input terminal and the first output terminal, and between the second input terminal and the first output terminal. A second switching element connected to, a third switching element connected between the first input terminal and the second output terminal, the second input terminal, and the second output. It may include a fourth switching element connected to and from the terminal. In the power receiving control circuit, in the first operation mode, the first and fourth switching elements are turned on, the second and third switching elements are turned off, and the first and fourth switching elements are switched. By periodically changing the state in which the element is turned off and the state in which the second and third switching elements are turned on, the rectifier circuit can be made to perform the rectification operation.
前記受電制御回路は、前記第2の動作モードにおいて、前記第1および第2のスイッチング素子をオン、前記第3および第4のスイッチング素子をオフにした状態と、前記第1および第2のスイッチング素子をオフ、前記第3および第4のスイッチング素子をオンにした状態とを周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達してもよい。 In the second operation mode, the power receiving control circuit has the first and second switching elements turned on, the third and fourth switching elements turned off, and the first and second switching elements. The information may be transmitted to the power transmission device by periodically changing the state in which the element is turned off and the state in which the third and fourth switching elements are turned on.
前記受電制御回路は、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達してもよい。この場合、第1の動作モードと第2の動作モードとの周期変動のパターンを変化させることにより、信号を送電装置に伝達することができる。 The power receiving control circuit may transmit the information to the power transmission device by periodically changing the first operation mode and the second operation mode. In this case, the signal can be transmitted to the power transmission device by changing the pattern of the periodic fluctuation between the first operation mode and the second operation mode.
前記受電制御回路は、前記複数のスイッチング素子を第1のスイッチングパターンで制御する第1の動作モードと、前記複数のスイッチング素子を第2のスイッチングパターンで制御する第2の動作モードと、前記複数のスイッチング素子を第3のスイッチングパターンで制御する第3の動作モードと、を切り替えることにより、前記情報を前記送電装置に伝達してもよい。前記受電制御回路は、さらに、前記複数のスイッチング素子を第4のスイッチングパターンで制御する第4の動作モードで動作してもよい。このように、3つ以上の異なる動作モードで整流回路を駆動することにより、多様な情報を送電装置に伝達することができる。第1の動作モードは、前述のように、通常の整流動作を行うモードであり得る。第2から第4の動作モードの各々は、第2の動作モードとして説明した前述のいずれかの動作モードと同じであってもよいし、異なっていてもよい。これらの動作モードの組み合わせによって多様な情報を送電装置に伝達することができる。 The power receiving control circuit includes a first operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by a first switching pattern, a second operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by a second switching pattern, and a plurality of the above. The information may be transmitted to the power transmission device by switching between a third operation mode in which the switching element is controlled by the third switching pattern and the third operation mode. The power receiving control circuit may further operate in a fourth operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the fourth switching pattern. In this way, by driving the rectifier circuit in three or more different operation modes, various information can be transmitted to the power transmission device. The first operation mode may be a mode in which a normal rectification operation is performed, as described above. Each of the second to fourth operation modes may be the same as or different from any of the above-mentioned operation modes described as the second operation mode. Various information can be transmitted to the power transmission device by combining these operation modes.
前記受電制御回路は、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを切り替える周期または前記第2の動作モードの期間の長さを前記情報に応じて変化させることにより、前記周期または前記第2の動作モードの期間の長さに応じて異なる情報を前記送電装置に伝達してもよい。 The power receiving control circuit changes the length of the cycle for switching between the first operation mode and the second operation mode or the period of the second operation mode according to the information, thereby changing the cycle or the second operation mode. Different information may be transmitted to the power transmission device depending on the length of the period of the second operation mode.
前記受電制御回路は、前記第1の動作モードでのみ動作する整流動作期間と、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを切り替えて動作する通信動作期間とを設定し、前記通信動作期間のうち、前記第2の動作モードで動作する期間の時比率を変化させることにより、前記時比率に応じて異なる情報を前記送電装置に伝達してもよい。あるいは、前記受電制御回路は、前記通信動作期間において、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを、伝達すべき前記情報に応じて切り替えることにより、切り替えパターンに応じた2値の信号を前記送電装置に伝達してもよい。 The power receiving control circuit sets a rectification operation period that operates only in the first operation mode and a communication operation period that operates by switching between the first operation mode and the second operation mode, and the communication. By changing the time ratio of the period of operation in the second operation mode, different information may be transmitted to the power transmission device according to the time ratio. Alternatively, the power receiving control circuit switches between the first operation mode and the second operation mode according to the information to be transmitted during the communication operation period, so that the power receiving control circuit has a binary value according to the switching pattern. The signal may be transmitted to the power transmission device.
前記受電装置は、前記受電装置内の電流、電圧、および電力の少なくとも1つを検出する検出器をさらに備えていてもよい。前記受電制御回路は、検出された前記電流、電圧、および電力の前記少なくとも1つに基づいて、前記送電装置に伝達すべき前記情報を決定してもよい。 The power receiving device may further include a detector that detects at least one of the current, voltage, and power in the power receiving device. The power receiving control circuit may determine the information to be transmitted to the power transmission device based on at least one of the detected current, voltage, and power.
前記受電制御回路は、検出された前記電流、電圧、および電力の前記少なくとも1つの値が異常値であると判断したとき、送電を停止すべき要求を前記情報として決定してもよい。 When the power receiving control circuit determines that at least one of the detected current, voltage, and power values is an abnormal value, the power receiving control circuit may determine a request for stopping power transmission as the information.
前記受電制御回路は、前記整流回路から出力された前記直流電力によって充電される蓄電デバイスの充電状態に基づいて、前記送電装置に伝達すべき前記情報を決定してもよい。例えば、前記受電制御回路は、前記蓄電デバイスの蓄電量が閾値を超えたとき、送電を停止すべき要求を前記情報として決定してもよい。蓄電量は、例えば充電率(State of Charge:SOC)、すなわち現在の残容量と満充電容量との比またはその百分率で表現され得る。蓄電量は、例えば、蓄電デバイスに印加される電圧(電圧の実効値を意味する、以下同じ。)または蓄電デバイスに流入する電流の積分から推定され得る。 The power receiving control circuit may determine the information to be transmitted to the power transmission device based on the charging state of the power storage device charged by the DC power output from the rectifier circuit. For example, the power receiving control circuit may determine a request for stopping power transmission as the information when the amount of electricity stored in the electricity storage device exceeds a threshold value. The amount of electricity stored can be expressed, for example, by the charge rate (State of Charge: SOC), that is, the ratio of the current remaining capacity to the fully charged capacity or a percentage thereof. The amount of electricity stored can be estimated, for example, from the integral of the voltage applied to the energy storage device (meaning the effective value of the voltage, the same applies hereinafter) or the current flowing into the energy storage device.
本開示の一実施形態による送電装置は、前述のいずれかの例における受電装置と組み合わせて用いられる。前記送電装置は、交流出力回路と、前記交流出力回路から出力された交流電力を前記受電装置に送出する送電アンテナと、前記送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を検出する検出器と、検出された前記電流および電圧の前記少なくとも一方の変動に基づいて、前記受電装置から伝達された情報を読み取り、前記情報に応じて前記交流出力回路を制御する送電制御回路と、を備える。 The power transmission device according to one embodiment of the present disclosure is used in combination with the power receiving device in any of the above examples. The transmission device detects an AC output circuit, a transmission antenna that sends AC power output from the AC output circuit to the power receiving device, and a detector that detects at least one of current and voltage in the transmission device. It includes a transmission control circuit that reads information transmitted from the power receiving device based on the fluctuation of at least one of the current and the voltage, and controls the AC output circuit according to the information.
前記検出器は、前記交流出力回路に入力される直流電流を検出するように配置され得る。前記検出器は、前記交流出力回路に入力される直流電圧を検出するように配置されていてもよい。あるいは、前記検出器は、前記交流出力回路から出力される交流電流および交流電圧の少なくとも一方を検出するように構成されていてもよい。その場合、前記送電制御回路は、前記交流電流および前記交流電圧の少なくとも一方の振幅の変動、または前記交流電流と前記交流電圧との位相差の変動を検出し、その検出結果に基づいて前記情報を読み取る。 The detector may be arranged to detect a direct current input to the alternating current output circuit. The detector may be arranged so as to detect a DC voltage input to the AC output circuit. Alternatively, the detector may be configured to detect at least one of an AC current and an AC voltage output from the AC output circuit. In that case, the power transmission control circuit detects fluctuations in the amplitude of at least one of the AC current and the AC voltage, or fluctuations in the phase difference between the AC current and the AC voltage, and the information is based on the detection result. To read.
前記送電制御回路は、前記送電装置内の前記電流および電圧の少なくとも一方の変動の周期に基づいて、前記情報を読み取るように構成されていてもよい。 The power transmission control circuit may be configured to read the information based on the period of fluctuation of at least one of the current and the voltage in the power transmission device.
本開示の一実施形態による無線電力伝送システムは、上記のいずれかの送電装置と、上記のいずれかの受電装置とを備える。 The wireless power transmission system according to the embodiment of the present disclosure includes any of the above-mentioned power transmission devices and any of the above-mentioned power receiving devices.
受電装置は、例えば移動体に搭載され得る。本開示における「移動体」は、前述の無人搬送車(AGV)のような車両に限定されず、電力によって駆動される任意の可動物体を意味する。移動体には、例えば、電気モータおよび1以上の車輪を備える電動車両が含まれる。そのような車両は、例えば、前述のAGV、搬送ロボット、電気自動車(EV)、電動カート、電動車椅子であり得る。本開示における「移動体」には、車輪を有しない可動物体も含まれる。例えば、二足歩行ロボット、マルチコプターなどの無人航空機(Unmanned Aerial Vehicle:UAV、所謂ドローン)、および有人の電動航空機、およびエレベータも、「移動体」に含まれる。受電装置は、このような移動体に限らず、例えば携帯電話機のような電子機器に搭載されてもよい。 The power receiving device may be mounted on a moving body, for example. As used in the present disclosure, the term "moving body" is not limited to a vehicle such as the above-mentioned automatic guided vehicle (AGV), but means any movable object driven by electric power. The moving body includes, for example, an electric vehicle equipped with an electric motor and one or more wheels. Such vehicles may be, for example, the aforementioned AGVs, transfer robots, electric vehicles (EVs), electric carts, electric wheelchairs. The "moving body" in the present disclosure also includes a movable object having no wheels. For example, unmanned aerial vehicles (UAVs, so-called drones) such as biped robots, multicopters, and manned electric aircraft, and elevators are also included in the "mobile body". The power receiving device is not limited to such a mobile body, and may be mounted on an electronic device such as a mobile phone.
以下、本開示のより具体的な実施形態を説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になることを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、発明者は、当業者が本開示を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。以下の説明において、同一または類似する機能を有する構成要素については、同じ参照符号を付している。 Hereinafter, more specific embodiments of the present disclosure will be described. However, more detailed explanation than necessary may be omitted. For example, detailed explanations of already well-known matters and duplicate explanations for substantially the same configuration may be omitted. This is to avoid unnecessary redundancy of the following description and to facilitate the understanding of those skilled in the art. It should be noted that the inventor intends to limit the subject matter described in the claims by those skilled in the art by providing the accompanying drawings and the following description in order to fully understand the present disclosure. do not have. In the following description, components having the same or similar functions are designated by the same reference numerals.
(実施形態)
図5は、本開示の例示的な実施形態による無線電力伝送システムの構成を模式的に示すブロック図である。この無線電力伝送システムは、送電装置100と、移動体10とを備える。移動体10は、受電装置200と、電気モータ320と、蓄電デバイス330とを備える。図5には、無線電力伝送システムの外部の要素である直流電源400も示されている。移動体10は、図1に示すような無人搬送車であり得る。
(Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram schematically showing a configuration of a wireless power transmission system according to an exemplary embodiment of the present disclosure. This wireless power transmission system includes a
送電装置100は、交流出力回路である送電回路110と、送電アンテナとして機能する複数の送電電極120と、送電制御回路150と、検出器140とを備える。送電回路110は、インバータ回路160と、整合回路180とを備える。
The
受電装置200は、受電アンテナとして機能する複数の受電電極220と、受電回路210と、受電制御回路250と、検出器240と、充電制御回路270とを備える。受電回路210は、整合回路280と、整流回路260とを備える。受電制御回路250は、送電装置100に伝達すべき情報に応じた信号を生成する信号生成回路252と、整流回路260を駆動する駆動回路254とを備える。
The
以下、各構成要素の詳細を説明する。 The details of each component will be described below.
インバータ回路160は、送電制御回路150からの指令に応答して電源400から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。図6は、インバータ回路160の構成例を模式的に示す図である。この例では、インバータ回路160は、4つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型のインバータ回路である。各スイッチング素子は、例えばIGBT、MOSFET、またはGaN等のトランジスタによって実現され得る。各スイッチング素子は、送電制御回路150によって制御される。送電制御回路150は、各スイッチング素子のオン(導通)およびオフ(非導通)の状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバと、ゲートドライバに制御信号を出力させるマイクロコントローラ(MCU)等のプロセッサとを備え得る。送電制御回路150は、各スイッチング素子のオンおよびオフの状態を制御することにより、インバータ回路160から所望の周波数および電圧を有する交流電力を出力させる。図示されるフルブリッジ型のインバータ回路の代わりに、ハーフブリッジ型のインバータ回路、または、E級などの他の種類の発振回路を用いてもよい。
The
電力伝送の周波数は、例えば50Hz~300GHz、ある例では20kHz~10GHz、他の例では20kHz~20MHz、さらに他の例では80kHz~14MHzに設定され得る。ただしこれらの周波数範囲に限定されない。 The frequency of power transfer may be set, for example, 50 Hz to 300 GHz, 20 kHz to 10 GHz in some examples, 20 kHz to 20 MHz in other examples, and 80 kHz to 14 MHz in other examples. However, it is not limited to these frequency ranges.
整合回路180は、インバータ回路160と送電電極120との間のインピーダンスを整合させる。図7Aから図7Dは、整合回路180の構成例を示す図である。
The
図7Aは、整合回路180の第1の例を示す図である。この例における整合回路180は、第1のインダクタLt1と、第2のインダクタLt2と、キャパシタCt1とを備える。第1のインダクタLt1は、送電電極120aと、インバータ回路160の第1の端子60aとの間に直列回路素子として接続される。第2のインダクタLt2は、送電電極120bと、インバータ回路160の第2の端子60bとの間に直列回路素子として接続される。キャパシタCt1は、送電電極120aとインダクタLt1との間の配線と、送電電極120bとインダクタLt2との間の配線との間に並列回路素子として接続される。
FIG. 7A is a diagram showing a first example of the
第1のインダクタLt1と第2のインダクタLt2とは磁気的に結合する。これらのインダクタの結合係数kは、例えば-1<k<0を満足する値に設定され得る。第1のインダクタLt1および第2のインダクタLt2は、コモンモードチョークフィルタとしての機能を果たすことが可能である。その場合、電力伝送に用いられる周波数、および低次の高調波帯域でのコモンモードノイズを低減することができる。そのような構成では、第1のインダクタLt1、第2のインダクタLt2、および第1のキャパシタCt1によって構成される共振器を「コモンモードチョーク共振器」と称することがある。 The first inductor Lt1 and the second inductor Lt2 are magnetically coupled. The coupling coefficient k of these inductors can be set to a value satisfying, for example, -1 <k <0. The first inductor Lt1 and the second inductor Lt2 can function as a common mode choke filter. In that case, it is possible to reduce the frequency used for power transmission and the common mode noise in the low-order harmonic band. In such a configuration, the resonator composed of the first inductor Lt1, the second inductor Lt2, and the first capacitor Ct1 may be referred to as a "common mode choke resonator".
図7Bは、整合回路180の第2の例を示す図である。この整合回路180は、図7Aに示す構成に加えて、第2のキャパシタCt2と、第3のキャパシタCt3と、第3のインダクタLt3とをさらに備える。第2のキャパシタCt2は、第1のインダクタLt1と第1の端子60aとの間に直列回路素子として接続される。第3のキャパシタCt3は、第2のインダクタLt2と第2の端子60bとの間に直列回路素子として接続される。第3のインダクタLt3は、第1のインダクタLt1と第2のキャパシタCt2との間の配線と、第2のインダクタLt2と第3のキャパシタCt3との間の配線との間に並列回路素子として接続される。この構成は、図7Aに示す整合回路180の構成の前段に、対称的な回路構成を有するハイパスフィルタが追加された構成であると言える。このような構成によれば、伝送効率をさらに向上させることができる。
FIG. 7B is a diagram showing a second example of the
図7Cは、整合回路180の第3の例を示す図である。この整合回路180は、図7Aに示す構成に加えて、第2のキャパシタCt2と、第3のインダクタLt3とをさらに備える。第2のキャパシタCt2は、第1のインダクタLt1と第1の端子60aとの間に直列回路素子として接続される。第3のインダクタLt3は、第1のインダクタLt1と第2のキャパシタCt2との間の配線と、第2のインダクタLt2と第2の端子60bとの間の配線との間に並列回路素子として接続される。この構成は、図7Aに示す整合回路180の構成の前段に、非対称な回路構成を有するハイパスフィルタが追加された構成であると言える。図7Bの構成と比較して、回路の正負対称性は低下するが素子数を削減することが可能である。このような構成によっても伝送効率をさらに向上させることができる。
FIG. 7C is a diagram showing a third example of the
図7Dは、整合回路180の第4の例を示す図である。この整合回路180は、図7Aに示す構成に加えて、第3のインダクタLt3と、第2のキャパシタCt2とをさらに備える。第3のインダクタLt3は、第1のインダクタLt1と第1の端子60aとの間に直列回路素子として接続される。第2のキャパシタCt2は、第1のインダクタLt1と第3のインダクタLt3との間の配線と、第2のインダクタLt2と第2の端子60bとの間の配線との間に並列回路素子として接続される。この構成は、図7Aに示す整合回路180の構成の前段に、非対称な回路構成を有するローパスフィルタが追加された構成であると言える。このような構成によっても伝送効率をさらに向上させることができる。
FIG. 7D is a diagram showing a fourth example of the
以上の各例における整合回路180は、図示されている回路素子以外にも、他の回路素子、例えばフィルタ機能を果たす回路網などを含んでいてもよい。また、各図において、1つのインダクタまたは1つのキャパシタとして表現された素子は、複数のインダクタまたは複数のキャパシタの集合体であってもよい。整合回路180の構成は上記の例に限定されず、目的に応じて異なる回路構成が採用され得る。また、インピーダンス整合の必要がない場合には、整合回路180を省略してもよい。
The
検出器140は、送電装置100内の電流および電圧の少なくとも一方を検出する。図5の例では、検出器140は、インバータ回路160に入力される直流電流を検出する。検出器140は、インバータ回路160に入力される直流電圧、またはインバータ回路160もしくは整合回路180から出力される交流電流または交流電圧を検出するように構成されていてもよい。
The
送電制御回路150は、検出器140によって検出された電流および電圧の少なくとも一方の変動に基づいて、受電装置200から伝達された情報を読み取り、当該情報に基づいてインバータ回路160を制御する。送電制御回路150は、例えば、検出器140によって検出された直流電流または直流電圧の大きさの変動に基づいて、伝達された情報を読み取ることができる。あるいは、検出器140が交流電流または交流電圧を検出する構成においては、送電制御回路150は、検出された交流電流もしくは交流電圧の振幅の変動、または交流電流と前記交流電圧との位相差の変動に基づいて情報を読み取ることもできる。さらに、送電制御回路150は、送電装置100内の電流および電圧の少なくとも一方の変動の周期に基づいて、伝達された情報を読み取ることもできる。送電制御回路150は、受電装置200から例えば送電を停止すべき旨の信号を受信した場合、インバータ回路160のスイッチング動作を停止し、交流電力の出力を停止させる。
The power
受電装置200における整合回路280は、受電電極220と整流回路260との間のインピーダンスを整合させる。整合回路280は、例えば図7Aから図7Dを参照して説明した整合回路180と同様の構成を備え得る。受電装置200における整合回路280には、図7Aから図7Dに示す各構成例において入力側(図の左側)と出力側(図の右側)とを反転させた構成を採用することができる。整合回路280は、図7Aから図7Dに示す例に限定されず、多様な構成を採用することができる。また、インピーダンス整合の必要性がない場合には、整合回路280を省略してもよい。
The
整流回路260は、整合回路280から出力された交流電力を直流電力に変換して出力する。図8は、整流回路260の構成例を模式的に示す図である。この例における整流回路260は、複数のスイッチング素子263を含むブリッジ回路261と、平滑コンデンサ262とを含む全波整流回路である。図8に示す整流回路260は、互いに並列に接続されたスイッチング素子263とダイオード264の組を4組備えており、各組のスイッチング素子263とダイオード264は、MOSFETによって実現されている。この場合、MOSFETの寄生ダイオードがダイオード264として機能する。スイッチング素子263は、MOSFETとは異なるトランジスタによって構成されていてもよい。その場合、各トランジスタに並列にダイオード264が接続される。整流回路260は、例えば半波整流回路などの、他の構成を有していてもよい。スイッチング素子263とダイオード264の組の数は、4組に限らず、整流回路260の構成に依存して決定される。整流回路260は、受け取った交流エネルギーを、蓄電デバイス330およびモータ320などの負荷が利用可能な直流エネルギーに変換する。
The
図8の例におけるブリッジ回路261は、交流電力が入力される第1の入力端子Ti1および第2の入力端子Ti2と、直流電力が出力される第1の出力端子To1および第2の出力端子To2とを備える。複数のスイッチング素子263は、第1から第4のスイッチング素子を含み、複数のダイオード264は、第1から第4のダイオードを含む。第1のスイッチング素子および第1のダイオードは、第1の入力端子Ti1と第1の出力端子To1との間に接続されている。第2のスイッチング素子および第2のダイオードは、第2の入力端子Ti2と第1の出力端子To1との間に接続されている。第3のスイッチング素子および第3のダイオードは、第1の入力端子Ti1と第2の出力端子To2との間に接続されている。第4のスイッチング素子および第4のダイオードは、第2の入力端子Ti2と第2の出力端子To2との間に接続されている。第1から第4のスイッチング素子のゲートには、ゲート電圧G1~G4がそれぞれ印加される。ゲート電圧G1~G4によって第1から第4のスイッチング素子のオン(導通)およびオフ(非導通)の状態が制御される。
In the
受電制御回路250は、信号生成回路252と、駆動回路254とを含む。信号生成回路252は、例えばMCUなどの、プロセッサとメモリなどの記憶媒体とを備えた回路であり得る。信号生成回路252は、検出器240が検出した電流もしくは電圧、または充電制御回路270が検出した電流、電圧、もしくは温度などに基づいて、送電装置100に伝達すべき情報を決定し、当該情報に応じた信号を駆動回路254に出力する。駆動回路254は、整流回路260における各スイッチング素子263のオンおよびオフの状態を制御する制御信号を出力するゲートドライバを含み得る。駆動回路254は、信号生成回路252から出力された信号に基づいて、各スイッチング素子263のオンおよびオフの状態を制御する。
The power
受電制御回路250は、通常時には、整流回路260における複数のスイッチング素子263を所定のスイッチングパターンで制御することにより、整流回路260に整流動作を実行させる。これにより、整流回路260から直流電力が出力される。当該直流電力は、充電制御回路270を経て、電気モータ320および蓄電デバイス330に供給される。受電制御回路250は、この整流動作が行われている最中に、整流回路260のスイッチングパターンを変化させることにより、送電装置100に信号を送信することができる。受電制御回路250は、送電装置100に伝達すべき情報に応じて各スイッチング素子263のスイッチングパターンを変化させる。図8の例において、受電制御回路250は、送電装置100に伝達すべき情報に応じて第1から第4のMOSFETのゲート電圧G1~G4を制御する。これにより、送電装置100内の電流を変調させ、送電装置100に情報を伝達することができる。
Normally, the power
検出器240は、受電装置200内の電流、電圧、および電力の少なくとも1つを検出する計測器である。図5の例では、検出器240は、整流回路260から出力された直流電流または直流電圧を検出する。図示される例に限定されず、検出器240は、受電装置200内のいずれの箇所に設けられていてもよい。例えば、検出器240は、受電電極220と受電回路210との間、受電回路210の内部、充電制御回路270と負荷との間、または充電制御回路270の内部に設けられていてもよい。
The
受電制御回路250は、検出された電流、電圧、および電力の少なくとも1つに基づいて、送電装置100に伝達すべき情報を決定する。受電制御回路250は、例えば、検出された電流、電圧、および電力の少なくとも1つの値が異常値であるとき、送電を停止すべき要求を、送電装置100に伝達すべき情報として決定することができる。あるいは、受電制御回路250は、蓄電デバイス330の充電状態に基づいて、送電装置100に伝達すべき情報を決定してもよい。例えば、蓄電デバイス330の蓄電量が閾値を超えたとき、送電を停止すべき要求を当該情報として決定してもよい。電流、電圧、または電力を検出する検出器に代えて、例えばモータ320または蓄電デバイス330などの負荷の周辺の温度を検出する検出器が設けられていてもよい。その場合、受電制御回路250は、温度が異常値を示した場合に送電装置100に通知を送信することができる。
The power
充電制御回路270は、受電回路210と蓄電デバイス330との間に接続され、蓄電デバイス330の充電および放電を制御する。図9は、充電制御回路270の構成例を示す図である。この例における充電制御回路270は、セルバランス制御器271と、アナログフロントエンドIC(AFE-IC)272と、サーミスタ273と、電流検出抵抗274と、MCU275と、通信用ドライバIC276と、保護FET277とを含む。セルバランス制御器271は、複数のセルを含む二次電池のそれぞれのセルの蓄電エネルギーを均一化する回路である。AFE-IC272は、サーミスタ273によって計測されたセル温度と、電流検出抵抗274が検出した電流とに基づいて、セルバランス制御器271および保護FET277を制御する回路である。MCU275は、通信用ドライバIC276を介した他の回路との通信を制御する回路である。この例では、電流検出抵抗274またはサーミスタ273を検出器として用いてもよい。その場合、受電制御回路250は、電流検出抵抗274によって検出された電流、またはサーミスタ273によって計測された温度に基づいて、送電装置100に伝達すべき情報を決定してもよい。図9に示す構成は一例に過ぎず、要求される機能または特性に応じて回路構成を変更してもよい。
The
電気モータ320は、蓄電デバイス330および充電制御回路270に接続され、蓄電デバイス330に蓄積されたエネルギーによって駆動される。モータ320は、例えば直流モータ、永久磁石同期モータ、誘導モータ、ステッピングモータ、またはリラクタンスモータなどの、任意のモータであり得る。モータ320は、シャフトおよびギア等を介して移動体の車輪を回転させ、移動体10を移動させる。モータの種類に応じて、整流回路、インバータ回路、インバータ制御回路などの、各種の回路がモータ320の前段に設けられ得る。
The
蓄電デバイス330は、例えば二次電池または蓄電用のキャパシタであり得る。二次電池として、例えばリチウムイオン電池またはニッケル水素電池を用いることができる。蓄電用のキャパシタは、例えば電気二重層キャパシタまたはリチウムイオンキャパシタなどの、高容量かつ低抵抗のキャパシタであり得る。移動体である受電装置200は、キャパシタまたは二次電池に蓄えられた電力によってモータ320を駆動して移動する。
The
本実施形態における移動体10の筐体、送電電極120、および受電電極220のそれぞれのサイズは、特に限定されないが、例えば以下のサイズに設定され得る。各送電電極120の長さ(すなわちY方向のサイズ)は、例えば50cm~20mの範囲内に設定され得る。各送電電極120のそれぞれの幅(すなわちX方向のサイズ)は、例えば5cm~2mの範囲内に設定され得る。移動体10の筐体の移動方向および横方向におけるそれぞれのサイズは、例えば20cm~5mの範囲内に設定され得る。送電電極120から同時に2台以上の移動体10に給電できるように、移動体10の筐体の移動方向におけるサイズは、各送電電極120の長さの半分未満に設定されてもよい。受電電極220aの長さ(すなわち移動方向におけるサイズ)は、例えば5cm~2mの範囲内に設定され得る。受電電極220aの幅(すなわち横方向におけるサイズ)は、例えば2cm~2mの範囲内に設定され得る。送電電極120間のギャップ、および受電電極220間のギャップは、例えば1mm~40cmの範囲内に設定され得る。但し、これらの数値範囲に限定されない。
The sizes of the housing of the
次に、本実施形態における無線電力伝送システムの動作を説明する。 Next, the operation of the wireless power transmission system in this embodiment will be described.
受電装置200における複数の受電電極220が送電装置100における複数の送電電極120にそれぞれ対向した状態で、送電装置100は受電装置200に電力を伝送する。送電制御回路150は、インバータ回路160を駆動して、送電電極120に交流電力を供給する。送電電極120は当該交流電力を空間に送出し、受電電極220がその電力の少なくとも一部を受け取る。受電電極220が受け取った交流電力は、整合回路280を経て、整流回路260で直流電力に変換される。当該直流電力は、充電制御回路270を経て、モータ320および蓄電デバイス330に供給される。
The
本実施形態における受電装置200は、受電動作中、整流回路260のスイッチングパターンを変化させることにより、送電装置100に信号を送信することができる。送電装置100は、送電装置100内の電流または電圧などの変化のパターンに基づき、当該信号を読み取ることができる。
The
受電制御回路250は、整流回路260に通常の整流動作を実行させる第1の動作モードと、情報伝達のための第2の動作モードとを切り替えることができる。第1の動作モードにおいて、受電制御回路250は、複数のスイッチング素子263を第1のスイッチングパターンで制御する。より具体的には、受電制御回路250は、第1の動作モードにおいて、複数のスイッチング素子263の各々のオン/オフの状態を周期的に変化させることにより、整流回路260に整流動作を実行させる。第2の動作モードでは、受電制御回路250は、複数のスイッチング素子263を、第1のスイッチングパターンとは異なる第2のスイッチングパターンで制御する。受電制御回路250は、第1の動作モードと第2の動作モードとを、例えば一定の周期で切り替える。
The power
図10は、通常の整流動作が行われる第1の動作モードにおいてスイッチング素子263のゲートに印加されるゲート電圧G1~G4の波形の例を示す図である。この例では、受電制御回路250は、図8に示す第1および第4のスイッチング素子をオン、第2および第3のスイッチング素子をオフにした第1の状態と、第1および第4のスイッチング素子をオフ、第2および第3のスイッチング素子をオンにした第2の状態とを周期的に変化させる。このスイッチング動作の周波数は、送電装置100から伝送される交流電力の周波数に実質的に一致するように設定される。図10に示す例では、デューティ比が50%未満のパルス電圧が各スイッチング素子263のゲートに印加される。このような動作により、整流回路260は、入力された交流電力を直流電力に変換する。
FIG. 10 is a diagram showing an example of waveforms of gate voltages G1 to G4 applied to the gate of the
これに対し、情報送信のための第2の動作モードでは、受電制御回路250は、図10に示すパターンとは異なるパターンで各スイッチング素子263を制御する。例えば、以下のいずれかのパターンでスイッチング素子263を制御することができる。
(a)全てのスイッチング素子263をオフにする
(b)第1のスイッチングパターンとは異なるデューティ比で各スイッチング素子263を駆動する
(c)同時にオンにするスイッチング素子263の組み合わせを第1のスイッチングパターンとは異なる組み合わせにする
On the other hand, in the second operation mode for information transmission, the power
(A) Turn off all switching elements 263 (b) Drive each switching
以下、それぞれの例についてより具体的に説明する。 Hereinafter, each example will be described in more detail.
図11Aは、第2の動作モードにおいて、整流回路260の全てのスイッチング素子263をオフにする場合の各スイッチング素子263のゲート電圧G1~G4の波形の例を示す図である。図11Aの例では、通常のスイッチング動作が行われる第1の動作モードと、通信のためのスイッチング動作が行われる第2の動作モードとが、トリガー信号のオン/オフによって切り替えられる。この例では、第2の動作モードにおいて、4つのスイッチング素子263の全てがオフに設定される。
FIG. 11A is a diagram showing an example of waveforms of gate voltages G1 to G4 of each switching
図11Bは、図11Aの例における通信用のスイッチング動作が行われているときの、整流回路260内を流れる電流を模式的に示す図である。図11Bの左右の図は、互いに逆位相の2つの状態での電流経路をそれぞれ示している。この例では、全てのスイッチング素子263がオフであるため、複数のダイオード264を経由して電流が流れる。以下の説明において、この動作を「ダイオード整流動作」と称することがある。ダイオード264の順方向の抵抗値は、スイッチング素子263がオンの状態におけるスイッチング素子263の抵抗値よりも高い。このため、全てのスイッチング素子263をオフにすることにより、送電装置100内の電流に変動が生じ、送電装置100に情報を伝達することができる。この例では、送電装置100内の電流に比較的大きい変化を生じさせることができるという利点がある。
FIG. 11B is a diagram schematically showing a current flowing in the
図12Aは、第2の動作モードにおいて、第1のスイッチングパターンとは異なるデューティ比で整流回路260の各スイッチング素子263を駆動する場合の各スイッチング素子263のゲート電圧G1~G4の波形の例を示す図である。この例では、各スイッチング素子263がオンにされる時間の1周期あたりの割合、すなわちデューティ比が、第1の動作モードと第2の動作モードとで異なっている。第2の動作モードにおいて、4つのスイッチング素子263のうち、同時にオンにされる2つのスイッチング素子263の組み合わせは、第1の動作モードでの組み合わせと同じである。受電制御回路250は、第1の動作モードにおいて、複数のスイッチング素子263の各々のオン/オフの状態を、第1のデューティ比で周期的に変化させる。受電制御回路250は、第2の動作モードにおいて、複数のスイッチング素子263の各々のオン/オフの状態を、第2のデューティ比で周期的に変化させる。
FIG. 12A shows an example of waveforms of the gate voltages G1 to G4 of each switching
図12Bは、図12Aの例における通信用のスイッチング動作が行われているときの、整流回路260内を流れる電流を模式的に示す図である。この例では、第2の動作モードにおいて、スイッチング素子263とダイオード264の両方に電流が流れる。しかし、第2の動作モードにおけるデューティ比が第1の動作モードにおけるデューティ比よりも低いため、整流回路260を流れる電流は減少する。その影響が送電装置100にも伝わることで、送電装置100に情報を伝達することができる。この例では、上記のダイオード整流動作と比較して、第2のスイッチング動作が行われているときの損失を小さくすることができるという利点がある。
FIG. 12B is a diagram schematically showing a current flowing in the
図13Aは、第2の動作モードにおいて、同時にオンにするスイッチング素子263の組み合わせを第1のスイッチングパターンとは異なる組み合わせにする場合の各スイッチング素子263のゲート電圧G1~G4の波形の例を示す図である。この例では、受電制御回路250は、第2の動作モードにおいて、第1および第2のスイッチング素子をオン、第3および第4のスイッチング素子をオフにした状態と、第1および第2のスイッチング素子をオフ、第3および第4のスイッチング素子をオンにした状態とを周期的に変化させる。
FIG. 13A shows an example of waveforms of the gate voltages G1 to G4 of each switching
図13Bは、図13Aの例における通信用のスイッチング動作が行われているときの、整流回路260内を流れる電流を模式的に示す図である。この例では、第2の動作モードにおいて、第1および第2のスイッチング素子を経由して電流が流れる還流動作と、第3および第4のスイッチング素子を経由して電流が流れる還流動作とが繰り返される。この例では、各回路へのストレスが比較的大きくなるが、送電装置100内の電流に大きい変化を生じさせることができるという利点がある。
FIG. 13B is a diagram schematically showing a current flowing in the
次に、図14Aおよび図14Bを参照して、通信用のスイッチング動作によって生じる送電装置100内の電流の変化の例を説明する。
Next, with reference to FIGS. 14A and 14B, an example of a change in current in the
図14Aは、通常のスイッチング動作が行われているときの送電回路110の入力直流電流の時間変化の例を示すグラフである。図14Bは、通常のスイッチング動作と通信用のスイッチング動作とが切り替わるときの送電回路110の入力直流電流の時間変化の例を示すグラフである。図14Bは、一例として、通信用のスイッチング動作中、図11Aに示すように、4つのスイッチング素子263の全てがオフに設定されるダイオード整流動作が実行される場合の例を示している。図14Bに示すように、動作モードを切り替えるときに、送電回路110の入力電流が変化する。送電制御回路150は、検出器140によって検出された電流の値の変化から、受電装置200から送信された信号を読み取ることができる。あるいは、受電制御回路250が動作モードの切り替えを周期的に実行する場合には、送電制御回路150は、検出器140によって検出された電流の変動の周波数に基づいて、送信された信号を読み取ることもできる。
FIG. 14A is a graph showing an example of a time change of the input DC current of the
図11Aに示すスイッチングパターンとは異なるパターンが採用される場合も、同様の原理で送信された信号を読み取ることができる。また、検出器140は、送電回路110の入力電流に限らず、送電回路110の入力電圧、または送電回路110から出力される交流電流または交流電圧を検出するように配置されていてもよい。
Even when a pattern different from the switching pattern shown in FIG. 11A is adopted, the transmitted signal can be read by the same principle. Further, the
次に、図15Aから図15Cを参照して、受電装置200から送電装置100に複数種類の情報を送信する動作の例を説明する。
Next, an example of an operation of transmitting a plurality of types of information from the
図15Aは、受電装置200が、送電装置100に伝達すべき情報に応じて、通信動作を行う期間の長さまたは周期を変化させる例を説明するための図である。この例では、受電制御回路250は、通常の整流動作を実行する整流動作期間と、通信動作を実行する通信動作期間とを、周期的に切り替える。図15Aの例では、伝送される交流電力の周期のn倍を1サイクルとして、1サイクル中、m周期に相当する期間が通信動作期間に設定される。この場合、1サイクルに占める通信動作期間の割合、すなわちデューティ比は、m/nである。送電回路110から出力される交流電力の周波数が例えば100kHzである場合、周期は10マイクロ秒(μs)である。この場合、10~100周期を1サイクルとすれば、100マイクロ秒から1ミリ秒(ms)のオーダーで送電装置100内の電流に変化を生じさせることができる。一例として、n=100、m=20の場合、1サイクルの20%が通信動作期間に割り当てられる。受電制御回路250は、1サイクルの長さを定めるn、または通信動作期間の長さを定めるmを、送信する情報に応じて変化させてもよい。それにより、複数種類の情報を送電装置100に伝達することができる。このように、受電制御回路250は、送電装置100に伝達すべき情報に応じて第1の動作モードと第2の動作モードとを切り替える周期または第2の動作モードで動作する期間の長さを変化させてもよい。これにより、周期または第2の動作モードで動作する期間に応じて異なる情報を送電装置100に伝達することができる。
FIG. 15A is a diagram for explaining an example in which the
図15Bは、複数種類の情報を送信する方法の他の例を説明するための図である。この例では、受電制御回路250は、第1の動作モードでのみ動作する整流動作期間と、第1の動作モードと第2の動作モードとを切り替えて動作する通信動作期間とを設定する。受電制御回路250は、通信動作期間のうち、第2の動作モードで動作する期間の時比率を変化させることにより、時比率に応じて異なる情報を送電装置100に伝達する。図15Bの例では、1サイクルに占める通信動作期間の割合は50%であり、通信動作期間に占める第2の動作モードの期間の割合も50%である。通信動作期間に占める第2の動作モードの期間の割合を、送信すべき情報に応じて変化させることができる。また、1サイクルに占める通信動作期間の割合を、送信すべき情報に応じて変化させることもできる。
FIG. 15B is a diagram for explaining another example of a method of transmitting a plurality of types of information. In this example, the power
図15Cは、2値の情報を受電装置200から送電装置100に送信する方法の例を示す図である。この例では、受電制御回路250は、1サイクル中に、固定の通信動作期間を設定する。通信動作期間において、受電制御回路250は、第1の動作モードと第2の動作モードとを、伝達すべき情報に応じて切り替えることにより、切り替えパターンに応じた2値の信号を送電装置100に伝達する。通信動作期間よりも十分に短い単位期間ごとに、第1の動作モードと第2の動作モードとの切り替えの判断が行われる。図15Cの例では、第1の動作モードが実行される単位期間が「0」、第2の動作モードが実行される単位期間が「1」に割り当てられる。1サイクル中の通信動作期間に含まれる単位期間の数をNとすると、Nビットのデータを送信することができる。
FIG. 15C is a diagram showing an example of a method of transmitting binary information from the
以上のように、受電制御回路250は、多様な方法で整流回路260のスイッチングパターンを変化させ、送電装置100に情報を伝達することができる。これらの方法を任意に組み合わせることにより、多様な情報を送電装置100に伝達することができる。
As described above, the power
受電装置200から送電装置100に伝達される情報は多様であり、例えば以下のような情報を送信することができる。
・受電装置200内の任意の箇所の電流、電圧、または電力
・負荷に入力される電流、電圧、または電力
・各回路または負荷の異常情報(例えば、過電圧または過電流)
・蓄電デバイス330の充電状態(例えば、満充電等)を示す情報
・各回路または負荷の温度
・整流回路260または他の回路のインピーダンス設定値
・外部システムから通知される異常(例えば、移動体システムのエラー等)
The information transmitted from the
-Current, voltage, or power at any point in the power receiving device 200-Current, voltage, or power input to the load-Abnormal information of each circuit or load (for example, overvoltage or overcurrent)
-Information indicating the charging status of the power storage device 330 (for example, full charge, etc.)-The temperature of each circuit or load-Impedance setting value of the
送電装置100の送電制御回路150は、受電装置200から伝達された情報を読み取り、例えば以下のような制御を行うことができる。
・インバータ回路160の停止
・インバータ回路160の制御パラメータ(例えば、周波数、デッドタイム等)の変更
・インバータ回路160の前段のAC/DCコンバータの入力電圧の増減
・他の機器への信号送信
・送電休止、一定時間経過後送電再開(温度情報の場合)
The power
-Stop of the inverter circuit 160-Change of control parameters (for example, frequency, dead time, etc.) of the inverter circuit 160-Increase / decrease of the input voltage of the AC / DC converter in the previous stage of the inverter circuit 160-Signal transmission to other equipment-Transmission Suspension, resumption of power transmission after a certain period of time (in the case of temperature information)
以下、一例として、蓄電デバイス330が満充電の状態に近づいたときに、受電装置200が送電装置100に送電停止の要求を送信する動作の例を説明する。
Hereinafter, as an example, an example of an operation in which the
図16は、この例における送電装置100と受電装置200の動作を説明するためのタイミングチャートである。図17は、この例における受電装置200の動作を示すフローチャートである。この例では、蓄電デバイス330に印加される電圧(以下、「バッテリ電圧」と称する。)が閾値を超えると、受電装置200から送電装置100に送電停止要求が出され、送電が停止される。より具体的には、電力伝送が開始されると、充電制御回路270は、蓄電デバイス330に印加される電圧を測定する(ステップS101)。充電制御回路270は、測定されたバッテリ電圧を、予め設定された閾値と比較し、満充電状態にあるか否かを判断する(ステップS102)。バッテリ電圧が閾値を超えると、充電制御回路270は、蓄電デバイス330が満充電の状態にあると判断し、満充電フラグを「1」に設定する。満充電フラグが「1」になると、受電制御回路250は、前述のいずれかの方法による通信動作を開始する(ステップS103)。受電制御回路250は、整流回路260におけるスイッチングパターンを、予め設定された態様で変化させる。すると、図16に点線枠で示すように、送電装置100内の送電回路110の入力電流が増加する。送電制御回路150は、一定時間以上の電流値の上昇を検出すると、蓄電デバイス330が満充電になったと判断し、インバータ回路160の駆動を停止して送電を停止する。これにより、受電装置200への給電が停止され、過充電が防止される。その後、充電制御回路270は、満充電状態から脱却したかを判断する(ステップS104)。充電制御回路270は、バッテリ電圧が再び閾値を下回ると、満充電状態から脱却したと判断する。その場合、充電制御回路270は、満充電フラグを「0」に戻し、送電停止要求が終了して通常動作が再開される(ステップS105)。
FIG. 16 is a timing chart for explaining the operation of the
次に、他の例として、受電装置200に供給される電力を適正な範囲内に維持する電力制御が行われる場合の動作の例を説明する。
Next, as another example, an example of operation when power control for maintaining the power supplied to the
図18は、この例における受電装置200の動作を示すフローチャートである。この例では、電力伝送開始後、検出器240が受電装置200内の電力を測定する(ステップS201)。受電制御回路250は、測定された電力が第1閾値よりも小さいか否かを判断する(ステップS202)。第1閾値は、例えば仕様で定められた電力値よりも5%程度小さい値に設定され得る。測定された電力が第1閾値よりも小さい場合、ステップS211に進む。測定された電力が第1閾値以上である場合、ステップS203に進む。ステップS203において、受電制御回路250は、測定された電力が、第1閾値よりも大きい第2閾値よりも大きいか否かを判断する。測定された電力が第2閾値よりも大きい場合には、ステップS221に進む。測定された電力が第2閾値以下である場合には、ステップS201に戻る。
FIG. 18 is a flowchart showing the operation of the
ステップS211において、受電制御回路250は、第1の動作モードと第2の動作モードとの連続切替により、送電装置100に電力の増加を要求する信号を送る(ステップS211)。ここで、第1の動作モードは、通常の整流動作を行うモードである。第2の動作モードは、例えば図11Aおよび図11Bに示すダイオード整流動作を行うモードであり得る。第2の動作モードは、第1の動作モードと異なっていればよく、ダイオード整流動作を行うモードに限られない。第1の動作モードと第2の動作モードとの連続切替により、送電装置100内の電流に変化が生じる。送電制御回路150は、その電流の変化のパターンから、電力増加の要求が出されたことを検知し、送電電力を増加させる。送電電力の増加は、例えばインバータ回路160の各スイッチング素子に入力する制御信号のパルスのデューティ比を大きくするなどの方法によって実行され得る。一定時間経過後、ステップS201に戻る。
In step S211th, the power
ステップS221において、受電制御回路250は、第1の動作モードと第3の動作モードとの連続切替により、送電装置100に電力の減少を要求する信号を送る(ステップS221)。ここで、第3の動作モードは、例えば図13Aおよび図13Bに示す還流動作を行うモードであり得る。第3の動作モードは、第1および第2の動作モードと異なっていればよく、還流動作を行うモードに限られない。第1の動作モードと第3の動作モードとの連続切替により、送電装置100内の電流に変化が生じる。送電制御回路150は、その電流の変化のパターンから、電力減少の要求が出されたことを検知し、送電電力を減少させる。送電電力の減少は、例えばインバータ回路160の各スイッチング素子に入力する制御信号のパルスのデューティ比を小さくするなどの方法によって実行され得る。一定時間経過後、ステップS201に戻る。
In step S221, the power
図18に示す例では、受電制御回路250は、整流回路260における複数のスイッチング素子263を第1のスイッチングパターンで制御する第1の動作モードと、複数のスイッチング素子263を第2のスイッチングパターンで制御する第2の動作モードと、複数のスイッチング素子263を第3のスイッチングパターンで制御する第3の動作モードとを切り替えることにより、複数種類の情報を送電装置100に伝達する。受電制御回路250は、さらに、複数のスイッチング素子263を第1から第3のスイッチングパターンとは異なる第4のスイッチングパターンで制御する第4の動作モードで動作するように構成されていてもよい。例えば、図17に示す動作と図18に示す動作の両方を実行するために、第1から第4の動作モードを切り替えてもよい。送電装置100における電流または電圧の変化のパターンは、受電装置200による整流回路260のスイッチングパターンに依存する。通知される情報と送電装置100における電流または電圧の変化のパターンとの対応関係を規定するデータまたはプログラムが、予め送電装置100の記憶媒体に記録される。当該データまたはプログラムを用いて、送電制御回路150は、検出された電流または電圧の変化のパターンから、通知された情報を読み取ることができる。
In the example shown in FIG. 18, the power
次に、無線電力伝送システムの他の構成例を説明する。 Next, another configuration example of the wireless power transmission system will be described.
図19は、整流回路260と充電制御回路270との間にインピーダンス調整回路230が配置された構成例を示すブロック図である。インピーダンス調整回路230は、入力された制御信号に応答してインピーダンスを変化させることが可能な回路である。
FIG. 19 is a block diagram showing a configuration example in which the
図20は、インピーダンス調整回路230の構成例を示す図である。この例におけるインピーダンス調整回路230は、DC/DCコンバータである。この例におけるDC/DCコンバータは、2つのスイッチSW1、SW2と、2つのコンデンサと、リアクトルとを含む降圧コンバータ(バックコンバータ)である。ハイサイドスイッチSW1のデューティ制御により、入力インピーダンスを微調整することが可能である。
FIG. 20 is a diagram showing a configuration example of the
この例では、受電制御回路250の駆動回路254は、インピーダンス調整回路230に含まれるハイサイドスイッチSW1に入力する制御信号のデューティ比を変化させることにより、インピーダンスを変化させる。これにより、送電側から見たインピーダンス調整回路230の入力インピーダンスを変化させ、システムの電力伝送状態を変化させることができる。
In this example, the
この例のように、インピーダンス調整回路230を追加することにより、整流回路260による通信に加えて、インピーダンス調整回路230による通信が可能になる。通信手段が増加することにより、さらに多様な信号の送信が可能になる。
By adding the
図21は、受電装置200が、外部の異常発信システム500との間で通信を行う通信回路290を備える例を示す図である。異常発信システム500は、例えば移動体10の運行を管理するコンピュータを備える。異常発信システム500は、移動体システムに異常が発生した場合、エラー通知を受電装置200に送信する。受電制御回路250は、通信回路290がエラー通知を受けると、エラー内容に応じた信号を送電装置100に伝達するために、整流回路260またはインピーダンス調整回路230を駆動する。これにより、エラー内容に応じた信号を送電装置100に伝達することができる。なお、図21に示す構成からインピーダンス調整回路230を除外してもよい。その場合、整流回路260内のスイッチング制御によって信号を送電装置100に伝達できる。
FIG. 21 is a diagram showing an example in which the
以上の実施形態では、整流回路260のブリッジ回路261におけるスイッチング素子263とダイオード264の機能がMOSFETによって実現されているが、MOSFETとは異なるスイッチング素子を用いてもよい。例えば、図22に示すように、それぞれが別個の素子であるスイッチング素子263とダイオード264が並列に接続された構成を採用してもよい。図22に示すように、ダイオード264に抵抗器265が接続されていてもよい。抵抗器265が設けられることにより、スイッチング素子263の切り替えに伴う送電装置100内の電流または電圧の変動を大きくすることができる。
In the above embodiment, the functions of the
以上の実施形態では、送電電極120は、地面または床面に敷設されているが、送電電極120は、壁などの側面、または天井などの上面に敷設されていてもよい。送電電極120が敷設される場所および向きに応じて、移動体10の受電電極220の配置および向きが決定される。
In the above embodiment, the
図23Aは、送電電極120が壁などの側面に敷設された例を示している。この例では、受電電極220は、移動体10の側方に配置される。図23Bは、送電電極120が天井に敷設された例を示している。この例では、受電電極220は、移動体10の天板に配置される。これらの例のように、送電電極120および受電電極220の配置には様々なバリエーションがある。
FIG. 23A shows an example in which the
以上の実施形態では、電界結合方式による無線電力伝送システムを説明したが、本開示の技術は、磁界結合方式による無線電力伝送システムにも同様に適用することができる。磁界結合方式による無線電力伝送システムにおいては、送電電極120に代えて送電コイルが、受電電極220に代えて受電コイルが使用される。
In the above embodiments, the wireless power transmission system by the electric field coupling method has been described, but the technique of the present disclosure can be similarly applied to the wireless power transmission system by the magnetic field coupling method. In the wireless power transmission system by the magnetic field coupling method, a power transmission coil is used instead of the
本開示の実施形態における無線電力伝送システムは、前述のように、例えば倉庫または工場内における物品の搬送用のシステムとして利用され得る。移動体10は、物品を積載する荷台を有し、工場内を自律的に移動して物品を必要な場所に搬送する台車として機能する。しかし、本開示における無線電力伝送システムおよび移動体は、このような用途に限らず、他の様々な用途に利用され得る。例えば、移動体は、AGVに限らず、他の産業機械、サービスロボット、電気自動車、マルチコプター(ドローン)等であってもよい。無線電力伝送システムは、工場または倉庫に限らず、例えば、店舗、病院、家庭、道路、滑走路その他のあらゆる場所で利用され得る。
As described above, the wireless power transmission system according to the embodiment of the present disclosure can be used as a system for transporting goods in a warehouse or a factory, for example. The moving
本開示の技術は、電力によって駆動される任意の機器に利用できる。例えば、無人搬送車(AGV)などの電動車両、および携帯機器に好適に利用できる。 The techniques of the present disclosure can be applied to any power driven device. For example, it can be suitably used for electric vehicles such as automatic guided vehicles (AGVs) and portable devices.
10 移動体
30 床面
100 送電装置
110 送電回路
120 送電電極
140 検出器
150 送電制御回路
160 インバータ回路
180 整合回路
200 受電装置
210 受電回路
220 受電電極
230 インピーダンス調整回路
240 検出器
250 受電制御回路
252 信号生成回路
254 駆動回路
260 整流回路
261 ブリッジ回路
262 平滑コンデンサ
263 スイッチング素子
264 ダイオード
265 抵抗器
270 充電制御回路
280 整合回路
290 通信回路
300 負荷
310 充電制御回路
320 電気モータ
330 蓄電デバイス
400 電源
500 異常発信システム
10
Claims (20)
前記送電装置が備える送電アンテナから無線で伝送された交流電力を受け取る受電アンテナと、
複数のスイッチング素子、および前記複数のスイッチング素子にそれぞれ並列に接続された複数のダイオードを含むブリッジ回路を有し、前記受電アンテナが受け取った前記交流電力を直流電力に変換して出力する整流回路と、
前記送電装置に伝達すべき情報に応じて前記複数のスイッチング素子を制御することにより、前記受電アンテナおよび前記送電アンテナを介して、前記送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を変調させ、前記情報を前記送電装置に伝達する受電制御回路と、
を備える受電装置。 A power receiving device used in a wireless power transmission system including a power transmitting device and a power receiving device.
A power receiving antenna that receives AC power wirelessly transmitted from the power transmission antenna of the power transmission device, and
A rectifier circuit having a bridge circuit including a plurality of switching elements and a plurality of diodes connected in parallel to the plurality of switching elements, and converting the AC power received by the power receiving antenna into DC power and outputting the circuit. ,
By controlling the plurality of switching elements according to the information to be transmitted to the power transmission device, at least one of the current and the voltage in the power transmission device is modulated via the power receiving antenna and the power transmission antenna, and the information. With a power receiving control circuit that transmits power to the power transmission device,
A power receiving device equipped with.
前記複数のダイオードは、前記複数のMOSFETの寄生ダイオードであり、
前記受電制御回路は、前記情報に応じて前記複数のMOSFETの各々のゲート電圧を制御することにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項1に記載の受電装置。 The bridge circuit includes a plurality of MOSFETs, each of which functions as the plurality of switching elements.
The plurality of diodes are parasitic diodes of the plurality of MOSFETs, and the plurality of diodes are
The power receiving control circuit transmits the information to the power transmission device by controlling the gate voltage of each of the plurality of MOSFETs according to the information.
The power receiving device according to claim 1.
前記複数のスイッチング素子を第1のスイッチングパターンで制御する第1の動作モードと、
前記複数のスイッチング素子を第2のスイッチングパターンで制御する第2の動作モードと、
を切り替えることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、請求項1または2に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
A first operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the first switching pattern, and
A second operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the second switching pattern, and
The power receiving device according to claim 1 or 2, wherein the information is transmitted to the power transmission device by switching between.
前記第1の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を周期的に変化させることによって前記整流回路に整流動作を実行させ、
前記第2の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の全てをオフにし、前記複数のダイオードを経由して電流が流れる状態にすることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
In the first operation mode, the rectifier circuit is made to execute a rectifier operation by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements.
In the second operation mode, the information is transmitted to the power transmission device by turning off all of the plurality of switching elements so that a current flows through the plurality of diodes.
The power receiving device according to claim 3.
前記第1の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を、第1のデューティ比で周期的に変化させることによって前記整流回路に整流動作を実行させ、
前記第2の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を、第2のデューティ比で周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
In the first operation mode, the rectifier circuit is made to execute the rectification operation by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements by the first duty ratio.
In the second operation mode, the information is transmitted to the power transmission device by periodically changing the on / off state of each of the plurality of switching elements at the second duty ratio.
The power receiving device according to claim 3.
前記複数のスイッチング素子は、
前記第1の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第2の入力端子と前記第1の出力端子との間に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第3のスイッチング素子と、
前記第2の入力端子と前記第2の出力端子との間に接続された第4のスイッチング素子と、
を含み、
前記受電制御回路は、
前記第1の動作モードにおいて、前記第1および第4のスイッチング素子をオン、前記第2および第3のスイッチング素子をオフにした状態と、前記第1および第4のスイッチング素子をオフ、前記第2および第3のスイッチング素子をオンにした状態とを周期的に変化させることにより、前記整流回路に整流動作を実行させ、
前記第2の動作モードにおいて、前記第1および第2のスイッチング素子をオン、前記第3および第4のスイッチング素子をオフにした状態と、前記第1および第2のスイッチング素子をオフ、前記第3および第4のスイッチング素子をオンにした状態とを周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The bridge circuit includes first and second input terminals to which the AC power is input, and first and second output terminals to which the DC power is output.
The plurality of switching elements are
A first switching element connected between the first input terminal and the first output terminal, and
A second switching element connected between the second input terminal and the first output terminal, and
A third switching element connected between the first input terminal and the second output terminal, and
A fourth switching element connected between the second input terminal and the second output terminal, and
Including
The power receiving control circuit is
In the first operation mode, the first and fourth switching elements are turned on, the second and third switching elements are turned off, and the first and fourth switching elements are turned off. By periodically changing the state in which the second and third switching elements are turned on, the rectifier circuit is made to execute a rectifier operation.
In the second operation mode, the first and second switching elements are turned on, the third and fourth switching elements are turned off, and the first and second switching elements are turned off. The information is transmitted to the power transmission device by periodically changing the state in which the third and fourth switching elements are turned on.
The power receiving device according to claim 3.
前記第1の動作モードにおいて、前記複数のスイッチング素子の各々のオン/オフの状態を変化させることによって前記整流回路に整流動作を実行させ、
前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを周期的に変化させることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
In the first operation mode, the rectifier circuit is made to execute a rectifier operation by changing the on / off state of each of the plurality of switching elements.
By periodically changing the first operation mode and the second operation mode, the information is transmitted to the power transmission device.
The power receiving device according to claim 3.
前記複数のスイッチング素子を第1のスイッチングパターンで制御する第1の動作モードと、
前記複数のスイッチング素子を第2のスイッチングパターンで制御する第2の動作モードと、
前記複数のスイッチング素子を第3のスイッチングパターンで制御する第3の動作モードと、
を切り替えることにより、前記情報を前記送電装置に伝達する、
請求項1または2に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
A first operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the first switching pattern, and
A second operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by the second switching pattern, and
A third operation mode in which the plurality of switching elements are controlled by a third switching pattern, and
By switching the above, the information is transmitted to the power transmission device.
The power receiving device according to claim 1 or 2.
前記第1の動作モードでのみ動作する整流動作期間と、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを切り替えて動作する通信動作期間とを設定し、
前記通信動作期間のうち、前記第2の動作モードで動作する期間の時比率を変化させることにより、前記時比率に応じて異なる情報を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
A rectification operation period that operates only in the first operation mode and a communication operation period that operates by switching between the first operation mode and the second operation mode are set.
By changing the time ratio of the period during which the communication operation period is operated in the second operation mode, different information is transmitted to the power transmission device according to the time ratio.
The power receiving device according to claim 3.
前記第1の動作モードでのみ動作する整流動作期間と、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを切り替えて動作する通信動作期間とを設定し、
前記通信動作期間において、前記第1の動作モードと前記第2の動作モードとを、伝達すべき前記情報に応じて切り替えることにより、切り替えパターンに応じた2値の信号を前記送電装置に伝達する、
請求項3に記載の受電装置。 The power receiving control circuit is
A rectification operation period that operates only in the first operation mode and a communication operation period that operates by switching between the first operation mode and the second operation mode are set.
By switching between the first operation mode and the second operation mode according to the information to be transmitted in the communication operation period, a binary signal corresponding to the switching pattern is transmitted to the power transmission device. ,
The power receiving device according to claim 3.
前記受電制御回路は、検出された前記電流、電圧、および電力の前記少なくとも1つに基づいて、前記送電装置に伝達すべき前記情報を決定する、
請求項1から11のいずれかに記載の受電装置。 Further equipped with a detector for detecting at least one of the current, voltage, and power in the power receiving device.
The power receiving control circuit determines the information to be transmitted to the power transmission device based on at least one of the detected current, voltage, and power.
The power receiving device according to any one of claims 1 to 11.
交流出力回路と、
前記交流出力回路から出力された交流電力を前記受電装置に送出する送電アンテナと、
前記送電装置内の電流および電圧の少なくとも一方を検出する検出器と、
検出された前記電流および電圧の前記少なくとも一方の変動に基づいて、前記受電装置から伝達された情報を読み取り、前記情報に応じて前記交流出力回路を制御する送電制御回路と、
を備える送電装置。 A power transmission device used in combination with the power receiving device according to any one of claims 1 to 15.
AC output circuit and
A power transmission antenna that sends AC power output from the AC output circuit to the power receiving device, and
A detector that detects at least one of the current and voltage in the power transmission device,
A power transmission control circuit that reads information transmitted from the power receiving device based on the detected fluctuation of at least one of the current and voltage, and controls the AC output circuit according to the information.
A power transmission device equipped with.
前記送電制御回路は、前記交流電流および前記交流電圧の前記少なくとも一方の振幅の変動、または前記交流電流と前記交流電圧との位相差の変動に基づいて、前記情報を読み取る、
請求項16に記載の送電装置。 The detector detects at least one of the AC current and the AC voltage output from the AC output circuit, and detects the AC current and the AC voltage.
The power transmission control circuit reads the information based on the fluctuation of the amplitude of the AC current and the at least one of the AC voltage, or the fluctuation of the phase difference between the AC current and the AC voltage.
The power transmission device according to claim 16.
請求項16から19のいずれかに記載の送電装置と、
を備える無線電力伝送システム。 The power receiving device according to any one of claims 1 to 15.
The power transmission device according to any one of claims 16 to 19.
A wireless power transmission system equipped with.
Priority Applications (1)
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JP2020113946A JP2022012250A (en) | 2020-07-01 | 2020-07-01 | Power reception device, power transmission device and wireless power transmission system |
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