JP5545415B2 - 電力伝送システムおよび送電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界結合により電力を伝送する電力伝送システムおよびそのシステムに用いる送電装置に関するものである。

ワイヤレスで電力を伝送するシステムは、例えば、特許文献１に示しているように電磁界を利用して送電ユニット側の１次巻線から負荷ユニット側の２次巻線に電力を伝送する方式(電磁界方式)が一般的である。しかし、電磁界方式のワイヤレス電力伝送では、巻線を通る磁束の大きさが起電力に大きく影響するため、１次巻線と２次巻線との高い位置精度が要求され、また、巻線の小型化が難しい。
一方、例えば特許文献２、特許文献３、特許文献４に記載されているような静電界を利用して送電ユニット側の結合用電極から負荷ユニット側の結合用電極に電力を伝送する方式（電界結合方式）が知られている。電界結合方式のワイヤレス電力伝送では、結合用電極間の静電界を利用するため、各結合用電極の要求位置精度を緩和することができ、また、結合用電極の小型化を図ることができる。静電結合を用いることで、電磁結合方式に比べ、送受電極間の位置決めや向きの自由度を高くすることができる。

また、数Ｗ〜数十Ｗオーダーの給電量の無接点電力伝送システムにおいて、負荷回路へ一定電圧を供給するために受電装置にＤＣ−ＤＣコンバータを設けたものが特許文献５に開示されている。

図６は特許文献２の電力伝送システムの基本構成を示す図である。この電力伝送システムは、送電装置と受電装置とで構成される。送電装置には、送電回路１、パッシブ電極２およびアクティブ電極３を備えている。受電装置には、受電回路５、パッシブ電極７およびアクティブ電極６を備えている。そして、送電装置のアクティブ電極３と受電装置のアクティブ電極６とが空隙４を介して近接することにより、この二つの電極同士が電界結合する。

特開平１１−４０２０６号公報 特表２００９−５３１００９号公報 特開２００９−２９６８５７号公報 特開２００９−０８９５２０号公報 特開２０１０−８８１４３号公報

特許文献５に示されているように、受電装置にＤＣ−ＤＣコンバータを設ければ、受電装置の負荷回路への出力電圧を安定化できるが、受電装置全体の回路が複雑化する。

受電装置にＤＣ−ＤＣコンバータを設けずに、受電装置の負荷回路への出力電圧を送電装置側で制御するためには、送電装置が何らかの手段を用いて受電装置の負荷回路への出力電圧をモニターする必要がある。ワイヤレス電力伝送システムにおいては送電装置と受電装置とは空間的に離れているので、受電装置の状態を送電装置側で検知するためには何らかの方法で通信を行う必要がある。受電装置に通信回路を設けると回路が大型化し、コストアップにもなる。また電力伝送部との干渉が生じ易いので通信制御が複雑化する。

特許文献３には、電界結合方式の電力伝送において、負荷に供給される電力を測定し、その結果に基づいて共振回路の定数を直接制御する構成が示されている。しかし、これは受電装置側の負荷回路への出力電圧を一定にするための構成ではない。

本発明は、受電装置を複雑化または大型化することなく受電装置の負荷回路への出力電圧を安定化できるようにした電界結合型の電力伝送システムおよび送電装置を提供することを目的としている。

（１）本発明の電力伝送システムは、
アクティブ電極とパッシブ電極とで構成される送電装置側結合電極、および前記送電装置側結合電極に接続され、高周波電圧を供給する送電回路を備えた送電装置と、
アクティブ電極とパッシブ電極とで構成され、前記送電装置側結合電極と結合する受電装置側結合電極、前記受電装置側結合電極に接続されて、負荷回路へ電力を供給する受電回路を備えた受電装置と、
を備えた電力伝送システムにおいて、
前記送電回路は、
直流電源電圧を入力して、この電源電圧より高い電圧を出力する電圧変換回路（昇圧コンバータ）と、
前記電圧変換回路の出力電圧を交流電圧に変換する直流交流変換回路（インバータ回路）と、
前記直流交流変換回路の出力電圧を入力し、前記送電装置側結合電極とともにＬＣ共振回路を構成する巻線型昇圧トランスと、
前記送電装置側結合電極への供給電圧を検出して、前記電圧変換回路にフィードバックし、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする。

（２）前記制御回路は、前記送電装置側結合電極への供給電圧が一定になるように制御することが好ましい。

（３）前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの２次巻線であることが好ましい。

（４）前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの１次巻線であることが好ましい。

（５）前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの３次巻線であることが好ましい。

（６）本発明の送電装置は、
アクティブ電極とパッシブ電極とで構成された受電装置側結合電極、前記受電装置側結合電極に接続されて、負荷回路へ電力を供給する受電回路を備えた受電装置とともに電力伝送システムを構成し、
アクティブ電極とパッシブ電極とで構成され、前記受電装置側結合電極と結合する送電装置側結合電極、および前記送電装置側結合電極に接続され、高周波電圧を供給する送電回路を備えた送電装置において、
前記送電回路は、
直流電源電圧を入力して、この電源電圧より高い電圧を出力する電圧変換回路（昇圧コンバータ）と、
前記電圧変換回路の出力電圧を交流電圧に変換する直流交流変換回路（インバータ回路）と、
前記直流交流変換回路の出力電圧を入力し、前記送電装置側結合電極とともにＬＣ共振回路を構成する巻線型昇圧トランスと、
前記送電装置側結合電極への供給電圧を検出して、前記電圧変換回路にフィードバックし、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、受電側にＤＣ−ＤＣコンバータを用いなくとも受電装置の負荷回路への出力電圧を安定化できる。また、昇圧トランスの巻回数比を小さくでき、昇圧トランスの２次巻線に寄生する寄生容量を低減しつつ、トランスの小型化と高周波化の両立が可能になる。

図１は電力伝送システム４０１の等価回路図である。 図２は第２の実施形態に係る電力伝送システム４０２の簡略回路図である。 図３は電力伝送システム４０２の等価回路図である。 図４は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の回路図である。 図５は第４の実施形態の電力伝送システム４０４の回路図である。 図６は特許文献２の電力伝送システムの基本構成を示す図である。

《第１の実施形態》
図１は電力伝送システム４０１の等価回路図である。この図１において、送電装置１０１は、送電回路３９、パッシブ電極３１およびアクティブ電極３２を備えている。このパッシブ電極３１およびアクティブ電極３２が送電装置側結合電極である。送電回路３９は、昇圧トランスＴＧ、インダクタＬＧ、直流交流変換回路３８、電圧変換回路３７で構成されている。直流交流変換回路３８は例えば１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚの高周波電圧を発生する。昇圧トランスＴＧおよびインダクタＬＧによる昇圧回路は、直流交流変換回路３８の発生する電圧を昇圧してパッシブ電極３１とアクティブ電極３２との間に印加する。キャパシタＣＧはパッシブ電極３１とアクティブ電極３２とによる容量である。前記昇圧回路とキャパシタＣＧは共振回路を構成する。

受電装置２０１は、パッシブ電極４１、アクティブ電極４２、受電回路４９および負荷回路４８を備えている。このパッシブ電極４１およびアクティブ電極４２が受電装置側結合電極である。受電回路４９は降圧トランスＴＬとインダクタＬＬによる降圧回路等で構成されている。パッシブ電極４１とアクティブ電極４２との間には、降圧トランスＴＬおよびインダクタＬＬによる降圧回路が接続されている。キャパシタＣＬはパッシブ電極４１とアクティブ電極４２とによる容量である。前記降圧回路とキャパシタＣＬは共振回路を構成する。降圧トランスＴＬの２次側には負荷回路４８が接続されている。

送電回路３９には直流電源Ｖｉｎにより直流電源電圧が入力される。キャパシタＣｉｎは入力フィルタである。

直流交流変換回路３８は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４がブリッジ接続された回路である。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートにはスイッチング制御回路が接続されているが、図は省略している。このスイッチング制御回路は、Ｑ１，Ｑ４オン且つＱ２，Ｑ３オフの期間とＱ２，Ｑ３オン且つＱ１，Ｑ４オフの期間を５０％デューティで交互に繰り返す。

この直流交流変換回路３８は、昇圧トランスＴＧの１次巻線とともにインバータ回路を構成している。

電圧変換回路３７は、インダクタＬｃ、MOSFETからなるスイッチング素子ＱｃおよびダイオードＤｃによる昇圧コンバータ（昇圧チョッパー回路）を構成している。スイッチング素子Ｑｃは制御ＩＣ３６によって駆動される。この電圧変換回路の動作については後述する。

送電装置１０１に受電装置２０１を装着したときに、送電装置１０１と受電装置２０１のアクティブ電極同士が容量結合し、パッシブ電極同士が容量結合することにより、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力を伝送することができる。

送電装置１０１において、送電回路３９の昇圧トランスＴＧには３次巻線Ｌｔが設けられていて、この３次巻線ＬｔにダイオードＤ１，Ｄ２、インダクタＬ１およびキャパシタＣ１による整流平滑回路が接続されている。昇圧トランスＴＧの１次巻線Ｌｐと３次巻線Ｌｔとの巻き数比は例えば（２：１）乃至（１：２）程度である。

３次巻線Ｌｔの両端電圧は１次巻線Ｌｐおよび２次巻線Ｌｓに対してトランス結合しているため、送電装置側の入力電圧の変化および受電装置の負荷回路への出力電圧の変化に応じた電圧を出力する。巻き数比を適宜設定することで回路設計の自由度が増す。

電圧変換回路３７を制御する制御ＩＣ３６は、基準電圧発生回路Ｒｅｆが発生する基準電圧Ｖｒと前記整流平滑回路の出力電圧Ｖ３とを比較し、その比較結果に応じて電圧変換回路３７をＰＷＭ制御する。この制御は前記電圧Ｖ３が基準電圧Ｖｒに等しくなるようにするフィードバック制御である。具体的には、Ｖ３＞Ｖｒのとき、電圧変換回路３７のスイッチング素子Ｑｃのオン時間幅を狭め、Ｖ３＜Ｖｒのとき、電圧変換回路３７のスイッチング素子Ｑｃのオン時間幅を拡げる。

前記フィードバック制御により、送電装置側結合電極３１−３２間の電圧Ｖ１は一定電圧に保たれる。これに伴い、受電装置側結合電極４１−４２間の電圧Ｖ２も一定に保たれる。

負荷回路４８の負荷の重さ（負荷電流の大小）に応じて受電装置側結合電極４１−４２間の電圧Ｖ２は変化するが、結合電極３１，３２と４１，４２は電界結合しているので、電圧Ｖ２の変動に伴って送電装置側結合電極３１−３２間の電圧Ｖ１も変動する。この電圧Ｖ１が変動すれば、昇圧トランスＴＧの２次巻線Ｌｓの両端電圧は変動する。そのため、トランス結合する３次巻線Ｌｔの起電圧の整流平滑電圧Ｖ３も変動する。したがって、この電圧Ｖ３が一定となるようにフィードバック制御することにより、受電装置２０１の負荷回路４８への出力電圧を安定化することができる。

このように、受電装置にＤＣ−ＤＣコンバータなどの特別な電圧安定化回路を設ける必要がなく、受電装置の構成を簡素化できる。

また、昇圧コンバータを昇圧トランスの前段側に設けたことにより、昇圧トランスの巻回数比を小さくでき、昇圧トランスの２次巻線に寄生する寄生容量を低減しつつ、トランスの小型化と高周波化の両立が可能になる。

また、インバータ回路のパルス幅制御（ＰＷＭ）によって発生電圧を制御するのではなく、直流交流変換回路３８（インバータ回路）へ供給する電圧を電圧変換回路３７で制御するようにしたので、直流交流変換回路３８（インバータ回路）は常にデューティ比５０％で交番電圧を発生することができる。そのことにより、送電装置１０１の昇圧回路とキャパシタＣＧによる共振回路での共振波形、および受電装置２０１の降圧回路とキャパシタＣＬによる共振回路での共振波形は、それぞれ歪が少ない。従って、ほぼ正弦波形で電力伝送でき、高調波成分の発生による不要輻射やノイズが低減される。

《第２の実施形態》
図２は第２の実施形態に係る電力伝送システム４０２の簡略回路図である。この電力伝送システム４０２は、送電装置１０２と受電装置２０２とで構成されている。送電装置１０２は送電装置側パッシブ電極３１と送電装置側アクティブ電極３２を備え、受電装置２０２は、受電装置側パッシブ電極４１と受電装置側アクティブ電極４２を備えている。

送電装置側アクティブ電極３２と送電装置側パッシブ電極３１との間には送電回路３９が接続されている。受電装置側アクティブ電極４２と受電装置側パッシブ電極４１との間には受電回路４９が接続されていて、受電回路４９には負荷回路４８が接続されている。

送電回路３９は送電装置側アクティブ電極３２と送電装置側パッシブ電極３１との間に高周波電圧を印加する。受電回路４９は受電装置側アクティブ電極４２と受電装置側パッシブ電極４１との間に生じる電圧を降圧する。負荷回路４８は、受電回路４９の負荷回路４８への出力電圧を電源電圧として入力する。この負荷回路４８は、受電回路４９の出力を整流平滑する整流平滑回路およびこの整流平滑回路の出力で充電される２次電池等を備えている。

受電装置側パッシブ電極４１は送電装置側パッシブ電極３１に接して直流的に導通する。

第２の実施形態によれば、昇圧された高電圧で電力伝送を行うため、送電装置側パッシブ電極３１に流れる電流は例えば数ｍＡオーダーであって、送電装置側パッシブ電極の接触抵抗の影響が非常に小さいので接触抵抗を低く抑える必要がない。そのため、導電性ゴムなどの各種接触手段が適用できる。

図３は電力伝送システム４０２の等価回路図である。送電装置側パッシブ電極３１と受電装置側パッシブ電極４１との間に接続されている抵抗ｒは送電装置側パッシブ電極３１と受電装置側パッシブ電極４１との接触部に構成される接触抵抗に相当する。送電装置側アクティブ３２と受電装置側アクティブ電極４２との間に接続されているキャパシタＣｍは、送電装置側アクティブ電極３２と受電装置側アクティブ電極４２との間に生じる容量に相当する。その他の構成は図１に示した電力伝送システム４０１と同じである。

前記接触抵抗ｒの抵抗値をｒ、電界結合部のキャパシタＣｍの容量をＣｍ、角周波数をωで表すと、
ｒ＜＜１／ωＣｍの関係にある。このように、送電装置１０２と受電装置２０２のパッシブ電極同士が直接導通することにより、受電装置側パッシブ電極４１の電位が送電装置側パッシブ電極３１の電位にほぼ等しくなる。その結果、受電装置側パッシブ電極４１の電位が安定化し、グランド電位変動および不要電磁界の漏洩が抑制される。また、浮遊容量が抑えられるので、結合度が高まり、高い伝送効率が得られる。

このように送電装置１０２に受電装置２０２を装着したときに、送電装置１０２と受電装置２０２のアクティブ電極同士が容量結合し、パッシブ電極同士が直接導通することにより、送電装置１０２から受電装置２０２へ電力を伝送することができる。

《第３の実施形態》
図４は第３の実施形態の電力伝送システム４０３の回路図である。この電力伝送システム４０３は送電装置１０３および受電装置２０１で構成されている。キャパシタＣＧは送電装置側結合電極のパッシブ電極とアクティブ電極とによる容量である。キャパシタＣＬは受電装置側結合電極のパッシブ電極とアクティブ電極とによる容量である。

受電装置２０１の構成は第１の実施形態で示した受電装置と同じである。ここでは、受電装置２０１の負荷回路４８はダイオードブリッジＤＢ、平滑コンデンサＣｏおよび負荷ＲＬで構成されている。

送電装置１０３の構成は第１の実施形態で示した送電装置１０１とほぼ同じである。送電装置の電圧変換回路３７（昇圧コンバータ）へフィードバックする信号配線の取り出し点が異なっている。

送電回路３９の昇圧トランスＴＧの１次巻線Ｌｐにはスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のブリッジ接続によるインバータ回路の出力端子が接続されている。

昇圧トランスＴＧの２次巻線ＬｓにはダイオードＤ１、キャパシタＣ１による整流平滑回路および抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧回路が接続されている。昇圧トランスＴＧの２次巻線Ｌｓの電圧は前記整流平滑回路で直流電圧に変換され、抵抗Ｒ１，Ｒ２による分圧回路で分圧されて、制御ＩＣ３６に対して電圧Ｖ３として入力される。基準電圧発生回路Ｒｅｆは基準電圧Ｖｒを発生して制御ＩＣ３６へ入力される。

前記制御ＩＣ３６は電圧Ｖ３と基準電圧Ｖｒとを比較し、その比較結果に応じて昇圧コンバータのスイッチング素子ＱｃをＰＷＭ制御する。このＰＷＭ制御によって昇圧コンバータの電圧変換比が制御される。この制御は前記電圧Ｖ３が基準電圧Ｖｒに等しくなるようにするフィードバック制御である。具体的には、Ｖ３＞Ｖｒのとき、スイッチング素子Ｑｃのオン時間幅を狭め、Ｖ３＜Ｖｒのとき、スイッチング素子Ｑｃのオン時間幅を拡げる。その結果として送電装置１０３からの出力電圧を一定にすることができる。

このように、昇圧トランスＴＧの２次巻線の電圧を検出することにより、受電装置２０１の負荷回路４８への出力電圧の変動を感度良く検出できる。

また、第１の実施形態で述べたとおり、インバータ回路のパルス幅制御（ＰＷＭ）によって発生電圧を制御するのではなく、直流交流変換回路３８（インバータ回路）へ供給する電圧を電圧変換回路３７で制御するようにしたので、直流交流変換回路３８（インバータ回路）は常にデューティ比５０％で交番電圧を発生することができる。そのことにより、ほぼ正弦波形で電力伝送でき、高調波成分の発生による不要輻射やノイズが低減される。

さらに、昇圧トランスＴＧに３次巻き線を設けないので昇圧トランスＴＧを小型化できる。

《第４の実施形態》
図５は第４の実施形態の電力伝送システム４０４の回路図である。この電力伝送システム４０４は送電装置１０４および受電装置２０１で構成されている。キャパシタＣＧは送電装置側結合電極のパッシブ電極とアクティブ電極とによる容量である。キャパシタＣＬは受電装置側結合電極のパッシブ電極とアクティブ電極とによる容量である。

受電装置２０１の構成は第１の実施形態で示した受電装置と同じである。ここでは、受電装置２０１の負荷回路４８はダイオードブリッジＤＢ、平滑コンデンサＣｏおよび負荷ＲＬで構成されている。

昇圧トランスＴＧの１次巻線ＬｐにはダイオードＤ１，Ｄ２、キャパシタＣ１による整流平滑回路が接続されている。昇圧トランスＴＧの１次巻線Ｌｐの電圧は前記整流平滑回路で直流電圧に変換されて、制御ＩＣ３６に対して電圧Ｖ３として入力される。基準電圧発生回路Ｒｅｆは基準電圧Ｖｒを発生して制御ＩＣ３６へ入力される。その他の回路構成は図４に示したものと同じである。

前記制御ＩＣ３６は電圧Ｖ３と基準電圧Ｖｒとを比較し、その比較結果に応じて昇圧コンバータのスイッチング素子ＱｃをＰＷＭ制御する。

このように昇圧トランスＴＧの１次巻線Ｌｐの電圧を検出することにより、昇圧トランスＴＧの２次巻線Ｌｓ、インダクタＬＧおよびキャパシタＣＧによる共振に影響を与えないで受電装置の負荷回路への出力電圧を間接的にモニタリングできる。

ＤＢ…ダイオードブリッジ
Ｌｐ…１次巻線
Ｌｓ…２次巻線
Ｌｔ…３次巻線
Ｑ１〜Ｑ４…スイッチング素子
Ｑｃ…スイッチング素子
ｒ…抵抗
Ｒｅｆ…基準電圧発生回路
ＲＬ…負荷
ＴＧ…昇圧トランス
ＴＬ…降圧トランス
Ｖｉｎ…直流電源
Ｖｒ…基準電圧
３１…送電装置側パッシブ電極
３２…送電装置側アクティブ電極
（３１，３２）…送電装置側結合電極
３６…制御ＩＣ
３７…電圧変換回路
３８…直流交流変換回路
３９…送電回路
４１…受電装置側パッシブ電極
４２…受電装置側アクティブ電極
（４１，４２）…受電装置側結合電極
４８…負荷回路
４９…受電回路
１０１〜１０４…送電装置
２０１，２０２…受電装置
４０１〜４０４…電力伝送システム

Claims (6)

1. アクティブ電極とパッシブ電極とで構成される送電装置側結合電極、および前記送電装置側結合電極に接続され、高周波電圧を供給する送電回路を備えた送電装置と、
   アクティブ電極とパッシブ電極とで構成され、前記送電装置側結合電極と結合する受電装置側結合電極、前記受電装置側結合電極に接続されて、負荷回路へ電力を供給する受電回路を備えた受電装置と、
   を備えた電力伝送システムにおいて、
   前記送電回路は、
   直流電源電圧を入力して、この電源電圧より高い電圧を出力する電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路の出力電圧を交流電圧に変換する直流交流変換回路と、
   前記直流交流変換回路の出力電圧を入力し、前記送電装置側結合電極とともにＬＣ共振回路を構成する巻線型昇圧トランスと、
   前記送電装置側結合電極への供給電圧を検出して、前記電圧変換回路にフィードバックし、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路と、
   を備えたことを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記制御回路は、前記送電装置側結合電極への供給電圧が一定になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの２次巻線である、請求項１に記載の電力伝送システム。
4. 前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの１次巻線である、請求項１に記載の電力伝送システム。
5. 前記送電装置側結合電極への供給電圧の検出点は前記巻線型昇圧トランスの３次巻線である、請求項１に記載の電力伝送システム。
6. アクティブ電極とパッシブ電極とで構成された受電装置側結合電極、前記受電装置側結合電極に接続されて、負荷回路へ電力を供給する受電回路を備えた受電装置とともに電力伝送システムを構成し、
   アクティブ電極とパッシブ電極とで構成され、前記受電装置側結合電極と結合する送電装置側結合電極、および前記送電装置側結合電極に接続され、高周波電圧を供給する送電回路を備えた送電装置において、
   前記送電回路は、
   直流電源電圧を入力して、この電源電圧より高い電圧を出力する電圧変換回路と、
   前記電圧変換回路の出力電圧を交流電圧に変換する直流交流変換回路と、
   前記直流交流変換回路の出力電圧を入力し、前記送電装置側結合電極とともにＬＣ共振回路を構成する巻線型昇圧トランスと、
   前記送電装置側結合電極への供給電圧を検出して、前記電圧変換回路にフィードバックし、前記電圧変換回路の電圧変換比を制御する制御回路と、
   を備えたことを特徴とする送電装置。

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