JP2022096273A

JP2022096273A - 非接触給電システム

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Publication number: JP2022096273A
Application number: JP2020209290A
Authority: JP
Inventors: 美明権田; Yoshiaki Gonda; 崇仁楡木; Takahito Nireki; 祐司久保田; Yuji Kubota; 崇之進藤; Takayuki Shindo
Original assignee: B and Plus KK
Current assignee: B and Plus KK
Priority date: 2020-12-17
Filing date: 2020-12-17
Publication date: 2022-06-29

Abstract

【課題】簡単な回路構成により、従来に比して電力損失及びコストが低減された非接触給電システムを実現すること。
【解決手段】一実施形態に係る非接触給電システムは、給電装置と受電装置とを備える。給電装置は、変換部と、変調部と、第１の伝送部とを有する。変換部は、第１の交流電圧を第１の脈流電圧に変換する。変調部は、第１の脈流電圧を変調して、第１の脈流電圧よりも周波数が高い高周波脈流電圧を生成する。第１の伝送部は、高周波脈流電圧を受電装置に空間伝送する。受電装置は、第２の伝送部と、検波部と、生成部とを有する。第２の伝送部は、第１の伝送部から空間伝送された高周波脈流電圧を受け取る。検波部は、第２の伝送部が受け取った高周波脈流電圧を検波し第２の脈流電圧を生成する。生成部は、第２の脈流電圧に基づいて第２の交流電圧を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、交流電力伝送型の非接触給電システムに関する。

近年、非接触給電システムの開発が進んでいる。非接触給電システムは、給電装置と受電装置とを有し、給電装置が受電装置に対して非接触に給電するシステムである。従来の交流出力型の非接触給電システムにおいては、給電装置は、電源装置から供給される交流電圧を直流電圧に変換し、高周波にして受電装置へ非接触給電する。受電装置は、給電された直流電圧をＤＣ（Direct Current：直流）－ＡＣ（Alternating Current：交流）インバータなどによって交流電圧に変換し、変換された交流電圧を出力し、ＡＣで駆動する各種装置へ電力を供給している。

従来の交流出力型の非接触給電システムは、ＡＣ－ＤＣ変換部やＤＣ－ＡＣインバータを必要とする。このため、回路構成は複雑でありコストも高くなる。また、電力損失の面においても改善の余地がある。

特開平１０－１３６５７３号公報特開２０１９-０４７６７５号公報

発明が解決しようとする課題は、簡単な回路構成により、従来に比して電力損失及びコストが低減された交流電力伝送型の非接触給電システムを実現することにある。

一実施形態に係る非接触給電システムは、給電装置と受電装置とを備える。前記給電装置は、変換部と、変調部と、第１の伝送部とを有する。前記変換部は、第１の交流電圧を第１の脈流電圧に変換する。前記変調部は、前記第１の脈流電圧を変調して、前記第１の脈流電圧よりも周波数が高い高周波脈流電圧を生成する。第１の伝送部は、前記高周波脈流電圧を前記受電装置に空間伝送する。前記受電装置は、第２の伝送部と、検波部と、生成部とを有する。前記第２の伝送部は、前記第１の伝送部から空間伝送された前記高周波脈流電圧を受け取る。前記検波部は、前記第２の伝送部が受け取った前記高周波脈流電圧を検波し第２の脈流電圧を生成する。前記生成部は、前記第２の脈流電圧に基づいて第２の交流電圧を生成する。

本願が開示する非接触給電システムの一つの態様によれば、簡単な回路構成により、従来に比して電力損失及びコストを低減させることができる。

図１は、第１の実施形態に係る非接触給電システムの構成と、非接触給電システムが有する給電装置及び受電装置のハードウェア構成の一例を示す図である。図２は、非接触給電システムにおいて取り扱われる複数の電圧波形の例を示した図である。図３は、第２の実施形態に係る非接触給電システムの構成と、非接触給電システムが有する給電装置及び受電装置のハードウェア構成の一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら各実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る非接触給電システムＳの構成と、非接触給電システムＳが有する給電装置１及び受電装置２のハードウェア構成の一例を示す図である。

図１に示すように、非接触給電システムＳは、給電装置１と、当該給電装置１によって非接触給電される受電装置２とを備える。なお、図１においては、給電装置１が非接触給電する対象として一台の受電装置２を例示している。しかしながら、給電装置１が非接触給電対象とする受電装置２は複数台であってもよい。

給電装置１は、高周波電源１０と、給電ヘッド１１とを備える。高周波電源１０は、例えば商用電源から供給される交流電圧に基づいて高周波脈流電圧を生成する。給電ヘッド１１は、高周波脈流電圧を受電装置２へ空間伝送する。

受電装置２は、受電ヘッド２０と、受電ユニット２１とを備える。受電ヘッド２０は、給電装置１から空間伝送された高周波脈流電圧を電磁誘導により受け取る。受電ユニット２１は、受電ヘッド２０により受け取られた高周波脈流電圧に基づいて、交流電圧を生成する。受電ユニット２１は、生成した交流電圧を後段の負荷（不図示）等へ出力する。

なお、受電装置２は、例えば移動や着脱を伴う移動式装置の医療用カートや車いすなどの台車に搭載され、その移動式装置上に搭載されている機器（電気駆動式装置）への給電を行うことができる。ここで、電気駆動式装置とは、先に上げた移動式装置に搭載される物の他、電動式車両、電動式移動型ロボット、電動式ドローン等の電動式移動体であってもよい。また、電気駆動式装置は、上記移動式装置に搭載される物、電動式移動体等の例に限定されない。電気駆動式装置は、例えば電動式工具等の電動機、移動はしなくても充電を必要とする装置であればどのようなものであっても良い。また、タブレット式コンピュータ、スマートフォン、プロジェクター、ディスプレイ等を給電対象とすることもできる。

以下、給電装置１、受電装置２のハード構成について説明する。

給電装置１の高周波電源１０は、第１のローパスフィルタ１０１と、整流回路１０３と、Ｈブリッジ回路１０５と、第１の補助電源１０７と、第１の制御回路１０９とを備える。給電装置１の給電ヘッド１１は、第１の共振回路１１１を備える。

第１のローパスフィルタ１０１は、電源側（不図示）へのスイッチングノイズ等の流出を防止するフィルタ回路である。第１のローパスフィルタ１０１は、フィルタ処理した交流電圧を整流回路１０３へ出力する。なお、電源側から給電装置１に入力される入力電圧としての交流電圧は、第１の交流電圧の一例である。

整流回路１０３は、第１の交流電圧を第１の脈流電圧に変換する。すなわち、整流回路１０３は、第１のローパスフィルタ１０１から受け取った交流電圧を脈流電圧に変換するダイオードである。整流回路１０３は、脈流電圧をＨブリッジ回路１０５へ出力する。なお、整流回路１０３は変換部の一例である。また、整流回路１０３によって得られる脈流電圧は第１の脈流電圧の一例である。

Ｈブリッジ回路１０５は、第１の脈流電圧を変調して、第１の脈流電圧よりも周波数が高い高周波脈流電圧を生成する。すなわち、Ｈブリッジ回路１０５は、整流回路１０３から受け取った脈流電圧を変調して高周波電圧を生成する。なお、Ｈブリッジ回路１０５は、変調部の一例である。

第１の補助電源１０７は、Ｈブリッジ回路１０５、第１の制御回路１０９へ電力を供給する。

第１の制御回路１０９は、Ｈブリッジ回路１０５を制御するＣＰＵ（Central Processing Unit）等である。例えば、第１の制御回路１０９は、不図示のフィードバック制御系から供給される信号に基づいてＨブリッジ回路１０５へＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）信号を供給し、Ｈブリッジ回路１０５の動作を制御する。

第１の共振回路１１１は、高周波脈流電圧を受電装置２に空間伝送する。すなわち、第１の共振回路１１１は、受電装置２に対し、Ｈブリッジ回路１０５から供給される高周波脈流電圧を電磁誘導により空間伝送する。第１の共振回路１１１は、例えばＬＣ回路を有しており、コイルのインダクタンスやキャパシタのキャパシタンスを調整することにより、空間伝送する電磁波の共振周波数を制御することができる。なお、第１の共振回路１１１は、第１の伝送部の一例である。

受電装置２の受電ヘッド２０は、第２の共振回路２０１を備える。受電装置２の受電ユニット２１は、検波回路２１１と、センサ２１２と、ＦＥＴ（Field Effect Transistor：電界効果トランジスタ）２１３と、第２のローパスフィルタ２１５と、第２の補助電源２１７と、第２の制御回路２１９とを備える。

第２の共振回路２０１は、第１の伝送部から空間伝送された高周波脈流電圧を受け取る。すなわち、第２の共振回路２０１は、第１の共振回路１１１から空間伝送された高周波脈流電圧を電磁誘導により受け取る。第２の共振回路２０１は、第１の共振回路１１１と同様にＬＣ回路を有しており、コイルのインダクタンスやキャパシタのキャパシタンスを調整することにより、空間伝送する電磁波の共振周波数を制御することができる。なお、第２の共振回路２０１は、第２の伝送部の一例である。

検波回路２１１は、第２の伝送部が受け取った高周波脈流電圧を検波し第２の脈流電圧を生成する。すなわち、検波回路２１１は、第２の共振回路２０１が受け取った高周波脈流電圧を復調し脈流電圧を生成する。

センサ２１２は、検波回路２１１によって生成された脈流電圧の波形情報を検出する。センサ２１２は、検出した交流電圧の波形情報を第２の制御回路２１９へ出力する。ここで、脈流電圧の波形情報とは、例えば、脈流電圧の波形の複数のゼロクロスポイントのタイミングを含む情報である。

ＦＥＴ２１３は、復調された脈流電圧から第２の交流電圧を生成する。すなわち、ＦＥＴ２１３は、第２の制御回路２１９から供給される制御信号に基づいてスイッチング処理を実行し、復調された脈流電圧から交流電圧を生成する。

第２のローパスフィルタ２１５は、ＦＥＴ２１３から供給される交流電圧のノイズを除去するフィルタ回路である。第２のローパスフィルタ２１５は、フィルタ処理した交流電圧を、出力電圧として後段の負荷等へ出力する。

第２の補助電源２１７は、第２の制御回路２１９へ電力を供給する。

第２の制御回路２１９は、ＦＥＴ２１３を制御するＣＰＵ等である。また、第２の制御回路２１９は、決定された交流電圧の波形極性に基づいてＦＥＴ２１３を制御する。なお、センサ２１２、ＦＥＴ２１３、第２の制御回路２１９は生成部の一例である。

図２は、非接触給電システムＳにおいて取り扱われる複数の電圧波形の例を示した図である。なお、図２におけるｔ_０、ｔ_１、ｔ_２等は、各電圧波形がゼロになる点（ゼロクロスポイント）のタイミングを示している。第１の実施形態に係る非接触給電システムＳの動作について、図１、図２を参照しながら以下説明する。

まず、電源側（不図示）から給電装置１に交流電圧が供給されると、第１のローパスフィルタ１０１は、非接触給電システムＳ内部からの雑音を外部に漏洩することを防止し、フィルタ通過後の交流電圧を整流回路１０３へ出力する。このフィルタ通過後の交流電圧は、図２の一段目に示した様に極性が周期的に反転する交流波形を有している。

次に、整流回路１０３は、第１のローパスフィルタ１０１から受け取った交流電圧を脈流電圧に変換する。すなわち、整流回路１０３は、図２の一段目に示した波形を有する交流電圧から、図２の二段目に示した波形を有する脈流電圧を生成する。整流回路１０３は、生成した脈流電圧をＨブリッジ回路１０５へ出力する。

次に、Ｈブリッジ回路１０５は、図２の二段目に示した波形を有する脈流電圧を変調し、高周波脈流電圧を生成する。第１の共振回路１１１は、図２の三段目に例示した高周波により脈流電圧を電磁誘導により受電装置２へ高周波伝送する。

次に、検波回路２１１は、高周波伝送され受電ヘッド２０によって取得された高周波脈流電圧を復調する。また、センサ２１２は、検波された高周波脈流電圧の波形情報を第２の制御回路に伝送する。第２の制御回路２１９は、決定された交流電圧の波形情報に基づいてＦＥＴ２１３を制御し、高周波脈流電圧から、図２の四段目に示した波形を有する交流電圧を生成する。

なお、図２においては、一段目の交流電圧と四段目の交流電圧との間で位相が対応した波形（すなわち、正極と負極とが対応した波形）を例示した。これは、交流電圧の波形極性に基づいて高周波脈流電圧から生成される交流電圧の波形の位相が、電源装置から給電装置１に供給された交流電の波形の位相と対応していることを示している。しかしながら、この様な位相の対応は必須ではない。すなわち、受電装置２側においては、交流電圧の波形極性に基づいて高周波脈流電圧から交流電圧を復元できればよい。従って、交流電圧の波形極性に基づいて高周波脈流電圧から生成される交流電圧の波形の位相は、電源装置から給電装置１に供給された交流電の波形の位相と１８０度ずれていてもよい。

次に、第２のローパスフィルタ２１５は、ＦＥＴ２１３から供給される交流電圧のノイズを除去し、図２の五段目に示した波形を有する交流電圧を、出力電圧として後段の負荷等へ出力する。

以上述べた第１の実施形態に係る非接触給電システムＳは、給電装置１から受電装置２へ脈流のまま電力を伝送するため、交流電圧を平滑した直流電圧に変換するためのＰＦＣ（Power Factor Correction：力率改善回路）等や、直流電圧を交流電圧に変換するためのＤＣ－ＡＣインバータを必要としない。このため、従来に比して簡単な回路構成で非接触給電を実現することができる。また、比較的高価であるＰＦＣ、インバータを用いないため、従来に比してコストを安価にすることができ、電力損失を低減させることができる。

また、第１の実施形態に係る非接触給電システムＳは、伝送経路に平滑用の電解コンデンサを用いていない。従って、従来に比して使用時間や温度範囲などの問題、及びサイズ、重量、コスト、電力損失が低減された、耐久性が高い非接触給電システムを実現することができる。

また、第２の制御回路２１９は、受電装置２において、空間伝送された脈流電圧の波形のゼロクロスポイントに基づいて交流電圧の波形極性を決定し、交流電圧を生成する。従って、給電装置１の回路構成を簡略化することができ、非接触給電システムＳ全体のコストを低減させることができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係る非接触給電システムＳについて説明する。

第１の実施形態においては、受電装置２側において判定された脈流波形のゼロクロスポイントに基づいて、脈流電圧から交流電圧を生成する非接触給電システムＳについて説明した。これに対し、第２の実施形態においては、給電装置から送信される交流電圧の波形極性に関する情報に基づいて、受電装置側において脈流電圧から交流電圧を生成する非接触給電システムＳについて説明する。

図３は、第２の実施形態に係る非接触給電システムＳの構成と、非接触給電システムＳが有する給電装置３及び受電装置４のハードウェア構成の一例とを示す図である。なお、図３において、上述した図１と共通する部分には同一の符号を付している。以下、第１の実施形態に係る非接触給電システムＳの構成と異なる部分について説明する。

第２の実施形態に係る給電装置３は、高周波電源３０と、給電ヘッド３１とを備える。給電ヘッド３１は、発振回路１１３をさらに備える。また、第２の実施形態に係る給電装置３においては、第１の制御回路１０９の機能が一部異なる。

第１の制御回路１０９は、第１のローパスフィルタ１０１によってフィルタ通過後の交流電圧の波形極性に関する情報（以下、「波形極性に関する情報」とも言う）を生成し、発振回路１１３へ出力する。ここで、交流電圧の波形極性に関する情報とは、交流電圧の波形極性がどのタイミングで切り替わるかを示す情報である。交流電圧の波形極性に関する情報は、例えば波形極性が正である場合には１、波形極性が負である場合には０（或いはその逆）を示すディジタル信号等である。

発振回路１１３は、第１の交流電圧の波形極性に関する情報を受電装置４へ送信する。すなわち、発振回路１１３は、第１のローパスフィルタ１０１によってフィルタ処理された交流電圧の波形極性に関する情報を、第１の制御回路１０９からの制御信号に基づいて受電装置２へ送信する。例えば、発振回路１１３は、波形極性に関する情報をＦＳＫ（Frequency Shift Keying：周波数偏移変調）方式により送信する。なお、発振回路１１３は、送信部の一例である。

第２の実施形態に係る受電装置４は、受電ヘッド４０と、受電ユニット４１とを備える。受電ヘッド４０は、受信回路２０３をさらに備える。また、第２の実施形態に係る受電装置４においては、第２の制御回路２１９の機能が一部異なる。

受信回路２０３は、送信部から第１の交流電圧の波形極性に関する情報を受信する。すなわち、受信回路２０３は、給電装置３の発振回路１１３からＦＳＫ方式により送信された波形極性に関する情報を、ＦＭ（Frequency Modulation：周波数変調）方式により検波する。受信回路２０３は、受信した波形極性に関する情報を第２の制御回路２１９へ出力する。

第２の制御回路２１９は、第１の交流電圧の波形極性に関する情報に基づいて、第２の脈流電圧から第２の交流電圧を生成する。すなわち、第２の制御回路２１９は、波形極性に関する情報に基づいてＦＥＴ２１３を制御し、検波回路２１１によって検波された脈流電圧から交流電圧を生成する。

次に、第２の実施形態に係る非接触給電システムＳの動作について、図２、図３を参照しながら以下説明する。

まず、電源装置（不図示）から給電装置１に交流電圧が供給されると、第１のローパスフィルタ１０１は、非接触給電システムＳ内部からの雑音を外部に漏洩することを防止し、フィルタ通過後の交流電圧を整流回路１０３と第１の制御回路１０９へ出力する。このフィルタ通過後の交流電圧は、図２の一段目に示した様に極性が周期的に反転する交流波形を有している。

次に、整流回路１０３は、図２の一段目に示した波形を有する交流電圧から、図２の二段目に示した波形を有する脈流電圧を生成する。また、第１の制御回路１０９は、図２の一段目に示した交流波形に基づいて交流電圧の波形極性に関する情報を生成し、発振回路１１３へ出力する。ここで、交流電圧の波形極性に関する情報は、例えば図２の一段目に示した波形に関するゼロクロスポイントのタイミングを含む情報である。

次に、Ｈブリッジ回路１０５は、図２の二段目に示した波形を有する脈流電圧を変調し高周波脈流電圧を生成する。第１の共振回路１１１は、図２の三段目に例示した高周波により脈流電圧を電磁誘導により受電装置４へ高周波伝送する。

また、発振回路１１３は、交流電圧の波形極性に関する情報を、第１の制御回路１０９からの制御信号に基づいて受電装置４へ送信する。

次に、受信回路２０３は、発振回路１１３から送信された波形極性に関する情報を受信して第２の制御回路２１９へ出力する。

検波回路２１１は、高周波伝送され受電ヘッド２０によって取得された高周波脈流電圧を復調する。また、第２の制御回路２１９は、波形極性に関する情報に基づいてＦＥＴ２１３を制御し、検波回路２１１によって検波された高周波脈流電圧から図２の四段目に示した波形を有する交流電圧を生成する。

以上述べた第２の実施形態に係る非接触給電システムＳは、第１の実施形態に係る非接触給電システムＳと同様に、給電装置３から受電装置４へ脈流のまま電力を伝送するため、交流電圧を平滑した直流電圧に変換するためのＰＦＣ等や、直流電圧を交流電圧に変換するためのＤＣ－ＡＣインバータを必要としない。このため、非接触給電システムにおける回路構成の簡略化、コスト削減、送効率の向上を実現することができる。

また、第２の制御回路２１９は、受電装置４において、給電装置３から受け取った交流電圧の波形極性に関する情報に基づいて交流電圧の波形極性を決定し、交流電圧を生成する。従って、受電装置４の回路構成を簡略化することができ、非接触給電システムＳ全体のコストを低減させることができる。

以上、本開示の実施形態について詳述したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、本開示は上記した個々の実施形態に限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１、３給電装置
２、４受電装置
１０、３０高周波電源
１１、３１給電ヘッド
２０、４０受電ヘッド
２１、４１受電ユニット
１０１第１のローパスフィルタ
１０３整流回路
１０５Ｈブリッジ回路
１０７第１の補助電源
１０９第１の制御回路
１１１第１の共振回路
１１３発振回路
２０１第２の共振回路
２０３受信回路
２１１検波回路
２１２センサ
２１３ＦＥＴ
２１５第２のローパスフィルタ
２１７第２の補助電源
２１９第２の制御回路
Ｓ給電システム

Claims

給電装置と受電装置とを備える非接触給電システムであって、
前記給電装置は、
第１の交流電圧を第１の脈流電圧に変換する変換部と、
前記第１の脈流電圧を変調して、前記第１の脈流電圧よりも周波数が高い高周波脈流電圧を生成する変調部と、
前記高周波脈流電圧を前記受電装置に空間伝送する第１の伝送部と、
を有し、
前記受電装置は、
前記第１の伝送部から空間伝送された前記高周波脈流電圧を受け取る第２の伝送部と、
前記第２の伝送部が受け取った前記高周波脈流電圧を検波し第２の脈流電圧を生成する検波部と、
前記第２の脈流電圧に基づいて第２の交流電圧を生成する生成部と、
を有する、
非接触給電システム。
前記生成部は、前記第２の脈流電圧の波形のゼロクロスポイントに基づいて交流電圧の波形極性を決定し、前記第２の交流電圧を生成する、
請求項１に記載の非接触給電システム。
前記給電装置は、前記第１の交流電圧の波形極性に関する情報を前記受電装置へ送信する送信部をさらに有し、
前記受電装置は、前記送信部から前記第１の交流電圧の波形極性に関する情報を受信する受信部をさらに有し、
前記生成部は、前記第１の交流電圧の波形極性に関する情報と前記第２の脈流電圧とに基づいて、前記第２の交流電圧を生成する、
請求項１に記載の非接触給電システム。