JP5614510B2 - 電力伝送システムおよび送電装置 - Google Patents

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Description

この発明は、電力伝送システムに関し、特に電界および/または磁界を利用して送電装置から受電装置に電力を伝送する、電力伝送システムに関する。
この発明はまた、送電装置に関し、上述の電力伝送システムに適用される、送電装置に関する。
この種の電力電送システムの一例が、特許文献1に開示されている。この背景技術によれば、通常送電開始前の認証時において、受電装置から送電装置に対して認証情報(スタートコード,メーカーID,プロダクトID,定格電力情報,共振特性情報等)が送信される。送電装置は、機器認証を行うとともに、受電装置側の定格電力に適合するように最大伝送電力を調整する。通常送電は、このような電力調整が完了した後に実行される。
特開2008−206233号公報
しかし、背景技術では、定格電力情報を取得するためには送電装置と受電装置との間での認証処理を実行する必要があり、さらには認証処理の前提として受電装置に電力を供給しておく必要がある。このため、背景技術では、回路構成が複雑化するおそれがある。
それゆえに、この発明の主たる目的は、回路構成を簡略化しつつ負荷に供給する電力を適正に制御することができる、電力伝送システムおよび送電装置を提供することである。
この発明に従う電力伝送システムは、交流電圧に基づいて電界または磁界を励起する励起手段を備える送電装置と、定格電力に対応する共振周波数を示す共振手段、および励起手段によって励起された電界または磁界に基づく電力を負荷に供給する供給手段を備える受電装置とによって形成された電力伝送システムであって、送電装置は、複数の共振周波数と複数の定格電力との対応関係を保持する保持手段、交流電圧の周波数を掃引して共振手段の共振周波数を検出する検出手段、検出手段によって検出された共振周波数に対応する定格電力を保持手段によって保持された対応関係を参照して特定する特定手段、および励起手段によって励起される電界または磁界の大きさを特定手段によって特定された定格電力に沿うように調整する調整手段をさらに備える。
好ましくは、励起手段は電界を励起するものであり、供給手段は電界に基づく電力を負荷に供給するものであって、励起手段は交流電圧が印加される複数の第1電極を含み、共振手段は、複数の第1電極と電界結合される複数の第2電極、および複数の第2電極に励起された交流電圧が印加される第1インダクタを含み、供給手段は第1インダクタと誘導結合される第2インダクタを含む。
好ましくは、検出手段は、交流電圧の周波数を繰り返し変更する変更手段、変更手段の処理と並列してインピーダンスを測定する測定手段、および変更手段によって指定された複数の周波数のうち測定手段によって測定されたインピーダンスの極大値に対応する周波数を共振手段の共振周波数として決定する決定手段を含む。
或る局面では、送電装置は、電流を供給する電流供給手段、および電流供給手段によって供給された電流の導通を交流電圧の生成のために周期的に切り換える切り換え手段をさらに備え、測定手段は電流供給手段の出力端の電圧を参照してインピーダンスを測定する。
他の局面では、決定手段は測定手段によって測定されたインピーダンスが複数の極大値を有するとき高域側の極大値に対応する周波数を共振周波数として決定する。
好ましくは、調整手段は交流電圧の高さを調整する電圧調整手段を含む。
好ましくは、送電装置は電磁誘導によって交流電圧を生成する生成手段 をさらに備え、調整手段は生成手段の電磁誘導特性を調整する特定調整手段を含む。
好ましくは、共振手段の共振周波数は定格電力の増大に応じて減少し、保持手段によって保持された対応関係は高域共振周波数に低定格電力が対応付けられる関係に相当する。
この発明に従う送電装置は、定格電力に対応する共振周波数を示す共振手段、および励起電界または励起磁界に基づく電力を負荷に供給する供給手段を備える受電装置と結合される送電装置であって、交流電圧に基づいて電界または磁界を励起する励起手段、複数の共振周波数と複数の定格電力との対応関係を保持する保持手段、交流電圧の周波数を掃引して共振手段の共振周波数を検出する検出手段、検出手段によって検出された共振周波数に対応する定格電力を保持手段によって保持された対応関係を参照して特定する特定手段、および励起手段によって励起される電界または磁界の大きさを特定手段によって特定された定格電力に沿うように調整する調整手段を備える。
この発明によれば、受電装置に設けられた共振手段は、受電装置の定格電力に対応する共振周波数を示すように設計される。したがって、或る定格電力を有する受電装置の共振手段は或る共振周波数を示し、他の定格電力を有する受電装置の共振手段は他の共振周波数を示す。保持手段には、このような定格電力および共振周波数の対応関係が保持される。
これを踏まえて、送電装置は、結合先の受電装置に設けられた共振手段の共振周波数を検出し、検出された共振周波数に対応する定格電力を保持手段によって保持された対応関係を参照して特定する。これによって、回路構成を簡略化しつつ負荷に供給する電力を適正に制御することができる。
この発明の上述の目的,その他の目的,特徴および利点は、図面を参照して行う以下の実施例の詳細な説明から一層明らかとなろう。
この発明の一実施例の構成を示すブロック図である。 図1実施例の外観の一例を示す図解図である。 図1実施例の送電装置によって参照されるテーブルの構成の一例を示す図解図である。 周波数に対するインピーダンスの変化の一例を示すグラフである。 図1実施例に適用されるCPUの動作の一部を示すフロー図である。 図1実施例に適用されるCPUの動作の他の一部を示すフロー図である。 この発明の他の実施例に適用される送電装置の構成の一部を示すブロック図である。 他の実施例に適用されるCPUの動作の一部を示すフロー図である。 この発明のその他の実施例に適用される送電装置の構成の一部を示すブロック図である。 その他の実施例に適用されるCPUの動作の一部を示すフロー図である。 この発明のさらにその他の実施例の構成を示すブロック図である。 他の実施例の送電装置によって参照されるテーブルの構成の一例を示す図解図である。 その他の実施例の送電装置に適用されるCPUの動作の一部を示すフロー図である。
図1および図2を参照して、この実施例の電力電送システム100は、送電電極E1およびE2が埋め込まれた上面を有する送電装置10と、受電電極E3およびE4が埋め込まれた下面を有する受電装置30とによって形成される。受電電極E3およびE4が送電電極E1およびE2と対向するように受電装置30の下面を送電装置10の上面に近づけると(図2参照)、受電装置30が送電装置10と電界結合される。これによって、送電装置10の電力が受電装置30に伝送される。
図1に示すように、直流電源12は、端子T1およびT2のいずれか一方と接続されるスイッチSW1の入力端に直流電圧を印加する。端子T1は直接的にインバータ18と接続され、端子T2は抵抗R1を介してインバータ18と接続される。したがって、スイッチSW1が端子T1と接続されるときは直流電圧がインバータ18に供給され、スイッチSW1が端子T2と接続されるときは抵抗R1で電圧降下された電圧がインバータ18に供給される。
インバータ18は、PWM発生回路14から出力されたPWM信号がHレベルを示す期間にオン状態となり、PWM発生回路14から出力されたPWM信号がLレベルを示す期間にオフ状態となる。インバータ18はまた、トランス20を形成しかつ誘導結合されたインダクタL1およびL2のうち、インダクタL1と接続される。
したがって、インバータ18が上述の要領でオン/オフされると、インダクタL1およびL2の各々に交流電圧が誘起される。ただし、インダクタL2の巻き数はインダクタL1の巻き数よりも大きく、インダクタL2に誘起される交流電圧はインダクタL1に誘起された交流電圧よりも高い値を示す。また、インダクタL1およびL2の各々に誘起される交流電圧の周波数および高さはそれぞれ、PWM信号の周波数およびデューティ比に依存する。
インダクタンスL2に誘起された交流電圧は、送電電極E1およびE2に印加される。送電電極E1およびE2と電界結合された受電電極E3およびE4には、印加された交流電圧の周波数に相当する周波数と電界結合度に依存する高さとを有する交流電圧が励起される。
こうして励起された交流電圧は、トランス32を形成しかつ誘導結合されたインダクタL3およびL4を介して整流回路34に供給される。ただし、インダクタL4の巻き数はインダクタL3の巻き数よりも小さく、整流回路34に供給される交流電圧は受電電極E3およびE4に励起された交流電圧よりも低い値を示す。整流回路34は、このような交流電圧を直流電圧に整流し、整流された直流電圧を負荷36に供給する。
図1に示す電力伝送システム100の受電回路30には、キャパシタンスCとインダクタL3からなる並列共振回路が設けられている。並列共振回路の共振周波数は、数1によって定義される。
[数1]
Fpr=1/(2π√(L3*C)
Fpr:並列共振回路の共振周波数
この実施例の電力伝送システム100では、共振周波数Fprが受電装置30の定格電力に応じて異なる値を示すように、キャパシタンスCおよびインダクタンスL3の特性(つまり受電電極E3〜E4およびトランス32の特性)が調整される。
具体的には、受電装置30の定格電力が1Wであれば、共振周波数Fprが周波数f1〜f2の範囲に収まるようにキャパシタンスCおよびインダクタンスL3の特性が調整され、受電装置30の定格電力が3Wであれば、共振周波数Fprが周波数f2〜f3の範囲に収まるようにキャパシタンスCおよびインダクタンスL3の特性が調整される。
また、受電装置30の定格電力が5Wであれば、共振周波数Fprが周波数f3〜f4の範囲に収まるようにキャパシタンスCおよびインダクタンスL3の特性が調整され、受電装置30の定格電力が7Wであれば、共振周波数Fprが周波数f4〜f5の範囲に収まるようにキャパシタンスCおよびインダクタンスL3の特性が調整される。
このような共振周波数Fprと定格電力との関係は、送電装置10に設けられたテーブル22に図3に示す要領で登録される。送電装置10に設けられたCPU16は、電界結合された受電装置30への給電を開始する際に、このテーブル22を参照して受電装置30の定格電力を特定し、特定された定格電力に沿うようにPWM発生回路14の動作を制御する。
具体的に説明すると、CPU16はまず、スイッチSW1の接続先を端子T1から端子T2に切り換え、PWM信号のデューティ比を一定値に設定し、そしてPWM信号の周波数を“f1”から“f5”まで掃引する。
PWM発生回路14は、こうして定義されたデューティ比および周波数を有するPWM信号をインバータ18に与える。これによって、デューティ比および周波数に依存する高さおよび周波数を有する交流電圧が送電電極E1〜E2に印加され、さらにインピーダンスZがインバータ18の入力端の電圧に基づいて測定される。
定格電力が3Wの受電装置30が送電装置10と電界結合されたとき、インピーダンスZは図4に実線で示す周波数特性を示す。これに対して、定格電力が5Wの受電装置30が送電装置10と電界結合されたとき、インピーダンスZは図4に点線で示す周波数特性を示す。
CPU16は、測定されたインピーダンスZが極大値を示す周波数を共振周波数Fprとして検出し、検出された周波数をテーブル22の記述と照らし合わせて受電装置30の定格電力を特定する。この結果、図4に実線で示す周波数特性に対応して3Wの定格電力が特定され、図4に点線で示す周波数特性に対応して5Wの定格電力が特定される。
定格電力が特性されると、CPU16は、PWM信号の周波数を共振周波数Fprに設定し、定格電力に沿うようにPWM信号のデューティ比を調整し、その後にスイッチSW1の接続先を端子T1に戻す。これによって、受電装置30への給電が開始される。
CPU16は、具体的には、図5〜図6に示すフロー図に従う処理を実行する。なお、このフロー図に対応する制御プログラムは、フラッシュメモリ16mに記憶される。
図5を参照して、ステップS1ではスイッチSW1の接続先を端子T1から端子T2に切り換え、ステップS3ではPWM信号の周波数を“f1”に設定し、ステップS5ではPWM信号のデューティ比を一定値に設定する。PWM発生回路14は、設定された周波数およびデューティ比を有するPWM信号をインバータ18に与える。
ステップS7ではインバータ18の入力端の電圧に基づいてインピーダンスZを測定し、ステップS9では設定周波数が“f5”に達したか否かを判別する。判別結果がNOであれば、ステップS11で設定周波数を既定幅だけ増大させ、その後にステップS7に戻る。これによって、周波数f1〜f5の範囲におけるインピーダンスZの周波数特性が判明する。
ステップS9の判別結果がYESであればステップS13に進み、インピーダンスZが極大値を示す周波数を共振周波数Fprとして検出する。ステップS15では、検出された周波数をテーブル22に照らし合わせて受電装置30の定格電力を特定する。ステップS17ではPWM信号の周波数を共振周波数Fprに設定し、ステップS19ではステップS15で特定された定格電力に沿うようにPWM信号のデューティ比を調整する。調整が完了すると、ステップS21でスイッチSW1の接続先を端子T1に戻し、その後に処理を終了する。
以上の説明から分かるように、受電装置30は、送電装置10に設けられた送電電極E1〜E2と電界結合される受電電極E3〜E4と、電界結合によって受電電極E3〜E4に励起された電界に基づく電力を負荷36に供給するトランス32および整流回路34を備える。ここで、受電電極E3〜E4およびトランス32は、並列共振回路を形成する。一方、送電装置10は、送電電極E1〜E2に印加される交流電圧を生成するトランス20と、複数の共振周波数と複数の定格電力との対応関係が記述されたテーブル22とを備える。送電装置10のCPU16は、PWM信号の周波数を掃引して並列共振回路の共振周波数Fprを検出し、検出された共振周波数Fprに対応する定格電力をテーブル22の記述を参照して特定し、PWM信号のデューティ比を特定された定格電力に沿うように調整する。
受電装置30に設けられた並列共振回路は、受電装置30の定格電力に対応する共振周波数を示すように設計される。したがって、或る定格電力を有する受電装置30に設けられた並列共振回路の共振周波数Fprは或る値を示し、他の定格電力を有する受電装置30に設けられた並列共振回路の共振周波数Fprは他の値を示す。テーブル22には、このような定格電力および共振周波数Fprの対応関係が記述される。
これを踏まえて、送電装置10は、結合先の受電装置30に設けられた並列共振回路の共振周波数Fprを検出し、検出された共振周波数Fprに対応する定格電力をテーブル22に記述された対応関係を参照して特定する。これによって、回路構成を簡略化しつつ負荷に供給する電力を適正に制御することができる。
なお、この実施例では、送電電極E1〜E2に印加される交流電圧の高さを受電装置30の定格電力に合わせるためにPWM信号のデューティ比を調整するようにしている(ステップS19参照)。しかし、1W,3W,5Wおよび7Wにそれぞれ対応する4つのトランス20a〜20dおよびその接続を制御するスイッチSW2およびSW3をトランス20に代えて送電装置10に設け(図7参照)、受電装置30の定格電力に沿うようにスイッチSW2およびSW3の接続を調整するようにしてもよい。この場合、スイッチSW2およびSW3の接続を調整するステップS31を図6に示すステップS19に代えて実行する必要がある(図8参照)。
また、1W,3W,5Wおよび7Wにそれぞれ対応する4つの出力端とそのいずれか1つを選択するスイッチSW4をトランス20のインダクタL2に接続し(図9参照)、受電装置30の定格電力に沿うようにスイッチSW4の接続を調整するようにしてもよい。この場合、スイッチSW4の接続を調整するステップS41を図6に示すステップS19に代えて実行する必要がある(図10参照)。
さらに、この実施例では、電界結合方式の電力伝送システムを想定しているが、この発明は図11に示す誘導結合方式の電力伝送システムにも適用できる。図11によれば、キャパシタC11およびインダクタL11がインバータ18に直列接続され、インダクタL12およびキャパシタC12が整流回路34に並列接続され、交流電圧はインダクタL11およびL12を介して伝送される。
また、図1〜図10に示す実施例では、受電装置30の共振周波数Fprは、1Wの定格電力に対応して周波数f1〜f2の範囲で調整され、3Wの定格電力に対応して周波数f2〜f3の範囲で調整され、5Wの定格電力に対応して周波数f3〜f4の範囲で調整され、そして7Wの定格電力に対応して周波数f4〜f5の範囲で調整される。さらに、このような共振周波数Fprと定格電力との対応関係が送電装置10に設けられたテーブル22に登録される(図3参照)。
しかし、受電装置30の定格電力の増大に応じて共振周波数Fprが減少するように受電装置30の周波数特性を調整し、このような共振周波数Fprと定格電力との対応関係をテーブル22に登録するようにしてもよい。
この場合、受電装置30の共振周波数Fprは、7Wの定格電力に対応して周波数f1〜f2の範囲で調整され、5Wの定格電力に対応して周波数f2〜f3の範囲で調整され、3Wの定格電力に対応して周波数f3〜f4の範囲で調整され、そして1Wの定格電力に対応して周波数f4〜f5の範囲で調整される。さらに、テーブル22には図12に示す対応関係が登録される。図12によれば、7Wの定格電力が周波数f1〜f2に割り当てられ、5Wの定格電力が周波数f2〜f3に割り当てられ、3Wの定格電力が周波数f3〜f4に割り当てられ、そして1Wの定格電力が周波数f4〜f5に割り当てられる。
送電装置10と受電装置30との間に異物が挟まったり、送電装置10に対する受電装置30の位置がずれたりすると、送電電極E1〜E2と受電電極E3〜E4との間の結合容量が減少し、これによって共振周波数Fprが高域側にシフトする。すると、図1〜図10に示す実施例では、受電装置30の定格電力よりも高い電力が図3に示すテーブル22から誤って検出され、高電力の供給によって受電装置30が破壊されるおそれがある。
そこで、この実施例では、図12に示すテーブル22を採用するとともに、これに対応するように受電装置30の周波数特性を調整するようにしている。これによって、定格電力の誤検出に起因する受電装置30の破壊を防止することができる。
また、上述の実施例では、図5に示すステップS3〜S11の処理によって測定されるインピーダンスZには受電装置30の共振周波数に対応する極大値しか現れないことを前提としている。しかし、掃引される周波数の範囲を拡大すると、受電装置30の共振周波数に対応する極大値に加えて、送電装置10の共振周波数に対応する極大値が測定インピーダンスZに現れる可能性がある。このような可能性を考慮すると、図5に示すステップS13では、図13に示すサブルーチンに従う処理を実行する必要がある。
図13を参照して、ステップS1301では、ステップS3〜S13の処理によって測定されたインピーダンスZから極大値つまり極大インピーダンスを検出し、検出された極大インピーダンスの数を変数CNTに設定する。ステップS1303では、変数CNTが“1”を上回るか否かを判別し、判別結果がYESであればそのままステップS1305に進む一方、判別結果がNOであればステップS1307に進む。
ステップS1305では、検出された複数の極大インピーダンスの中から最も高域側の極大インピーダンスを指定する。ステップS1307では、検出された唯一の極大インピーダンスを指定する。ステップS1305またはS1307の処理が完了するとステップS1309に進み、指定された極大インピーダンスに対応する周波数を共振周波数Fprとして検出する。共振周波数Fprの検出が完了すると、上階層のルーチンに復帰する。
この発明が詳細に説明され図示されたが、それは単なる図解および一例として用いたものであり、限定であると解されるべきではないことは明らかであり、この発明の精神および範囲は添付されたクレームの文言によってのみ限定される。
10 …送電装置
14 …PWM発生回路
16 …CPU
18 …インバータ
20,32 …トランス
22 …テーブル
34 …整流回路
E1〜E2 …送電電極
E3〜E4 …受電電極

Claims (9)

  1. 交流電圧に基づいて電界または磁界を励起する励起手段を備える送電装置と、定格電力に対応する共振周波数を示す共振手段、および前記励起手段によって励起された電界または磁界に基づく電力を負荷に供給する供給手段を備える受電装置とによって形成された電力伝送システムであって、
    前記送電装置は、
    複数の共振周波数と複数の定格電力との対応関係を保持する保持手段、
    前記交流電圧の周波数を掃引して前記共振手段の共振周波数を検出する検出手段、
    前記検出手段によって検出された共振周波数に対応する定格電力を前記保持手段によって保持された対応関係を参照して特定する特定手段、および
    前記励起手段によって励起される電界または磁界の大きさを前記特定手段によって特定された定格電力に沿うように調整する調整手段をさらに備える、電力伝送システム。
  2. 前記励起手段は前記電界を励起するものであり、
    前記供給手段は前記電界に基づく電力を前記負荷に供給するものであって、
    前記励起手段は前記交流電圧が印加される複数の第1電極を含み、
    前記共振手段は、前記複数の第1電極と電界結合される複数の第2電極、および前記複数の第2電極に励起された交流電圧が印加される第1インダクタを含み、
    前記供給手段は前記第1インダクタと誘導結合される第2インダクタを含む、請求項1記載の電力伝送システム。
  3. 前記送電装置は、前記交流電圧を昇圧するトランスを有し、
    前記検出手段は、前記交流電圧の周波数を繰り返し変更する変更手段、前記変更手段の処理と並列して前記トランスのインピーダンスを測定する測定手段、および前記変更手段によって指定された複数の周波数のうち前記測定手段によって測定されたインピーダンスの極大値に対応する周波数を前記共振手段の共振周波数として決定する決定手段を含む、請求項1または2記載の電力伝送システム。
  4. 前記送電装置は、電流を供給する電流供給手段、および前記電流供給手段によって供給された電流の導通を前記交流電圧の生成のために周期的に切り換える切り換え手段をさらに備え、
    前記測定手段は前記電流供給手段の出力端の電圧を参照して前記インピーダンスを測定する、請求項3記載の電力伝送システム。
  5. 前記決定手段は前記測定手段によって測定されたインピーダンスが複数の極大値を有するとき高域側の極大値に対応する周波数を前記共振周波数として決定する、請求項3または4記載の電力伝送システム。
  6. 前記調整手段は前記交流電圧の高さを調整する電圧調整手段を含む、請求項1ないし5のいずれかに記載の電力伝送システム。
  7. 前記送電装置は電磁誘導によって前記交流電圧を生成する生成手段をさらに備え、
    前記調整手段は前記生成手段の電磁誘導特性を調整する特定調整手段を含む、請求項1ないし5のいずれかに記載の電力伝送システム。
  8. 前記共振手段の共振周波数は前記定格電力の増大に応じて減少し、
    前記保持手段によって保持された対応関係は高域共振周波数に低定格電力が対応付けられる関係に相当する、請求項1ないし7のいずれかに記載の電力伝送システム。
  9. 定格電力に対応する共振周波数を示す共振手段、および励起電界または励起磁界に基づく電力を負荷に供給する供給手段を備える受電装置と結合される送電装置であって、
    交流電圧に基づいて電界または磁界を励起する励起手段、
    複数の共振周波数と複数の定格電力との対応関係を保持する保持手段、
    前記交流電圧の周波数を掃引して前記共振手段の共振周波数を検出する検出手段、
    前記検出手段によって検出された共振周波数に対応する定格電力を前記保持手段によって保持された対応関係を参照して特定する特定手段、および
    前記励起手段によって励起される電界または磁界の大きさを前記特定手段によって特定された定格電力に沿うように調整する調整手段を備える、送電装置。
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