JP5998905B2 - ワイヤレス受電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワイヤレス受電装置およびそれを用いたワイヤレス電力伝送装置に関するものである。

ケーブル等の接続なく給電ユニットと受電ユニットとの間で電力送電ができるワイヤレス送電技術が注目されている。このワイヤレス送電技術として、小電力を送電するシステムは、携帯電話やスマートフォンの充電器などに使用され、大電力を送電するシステムは、一部の工場などに使用されている。

ところで、大電力を送電するシステムは、給電対象となる負荷と、給電ユニットと、受電ユニットの安全性が求められている。具体的には、大電力投入時に異常が発生した際、速やかに対処しなくては負荷やシステムが破損してしまう恐れがある。

上記の問題点を解決するために、例えば、特許文献１では、整流回路の出力側端子と給電装置の出力端子との間に接続され、負荷の短絡等によってピックアップコイルの両端に所定値を超える過大電圧が生じた場合に不通状態となるスイッチング素子を備えることにより、負荷に過大電流が流れるのを防ぐ給電装置が提案されている。

また、特許文献２では、整流部−変圧部間に第一端が接続される負荷変調用抵抗と、負荷変調用抵抗の第二端とグランドとの間に接続される負荷変調用スイッチと、整流部−変圧部間から動作電圧を取得して、負荷変調用スイッチの切り替えを行う信号処理部と、整流部−変圧部間の電気的接続を遮断する逆流防止用スイッチを備えた無接点受電回路が提案されている。

特開２００２−８４６８６号公報 国際公開２０１０−０３５５４６号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術のように、負荷の短絡等によってピックアップコイルの両端に所定値を越える過大電圧が生じた場合に不通状態となるスイッチング素子を備える構成では、異常発生時に、いきなり負荷との接続を切り離してしまうため、無負荷状態となり、整流回路にかかる電圧が跳ね上がり、回路を構成する部品の耐圧を超えてしまい破損する恐れがあった。それに加えて、給電線に流れる電流量も大きく変動するため、回路に異常をきたす可能性があった。

また、特許文献２に開示される技術では、負荷変調通信モードであると判定された場合、逆流防止用スイッチにより、整流部−変圧部間の電気的接続が遮断されるため、整流部にかかる電圧が跳ね上がり、回路を構成する部品の耐圧を超えてしまい破損する恐れがあった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損を防止し、安全性を高めたワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置を提供すること目的とする。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、受電コイルにてワイヤレスで電力を受電するワイヤレス受電装置であって、受電コイルと、受電コイルが受電した電力を整流して負荷に出力する整流回路と、受電コイルと整流回路との間、又は、整流回路と負荷との間に配設される遮断素子と、直列接続された抵抗およびスイッチング素子を有するクランプ回路と、抵抗とスイッチング素子間の電圧を検出する電圧検出手段と、ワイヤレス受電装置の異常を検出して異常状態を示す信号を送信する異常検出手段と、遮断素子とスイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備え、クランプ回路は、遮断素子の入力端子に接続され、制御回路は、異常検出手段から送信された異常状態を示す信号を受信したとき、スイッチング素子を導通状態に制御し、電圧検出手段が検出した電圧値が予め設定した基準電圧値を下回ったとき、遮断素子を非導通状態に制御して電力を遮断する。

本発明によれば、制御回路が異常検出手段から送信された異常状態を示す信号を受信したとき、スイッチング素子を導通状態に制御し、電圧検出手段が検出した電圧値が予め設定した基準電圧値を下回ったとき、遮断素子を非導通状態に制御して電力を遮断している。そのため、大電力投入時に異常が発生しても、無負荷状態とはならず、抵抗とスイッチング素子間の電圧が十分に低下してから負荷への電力を遮断することができる。したがって、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損が防止され、安全性を高めることができる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、上記ワイヤレス受電装置と、ワイヤレス給電装置を備える。

本発明によれば、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損が防止され、安全性を高めたワイヤレス電力伝送装置を得ることができる。

好ましくは、制御回路は、遮断素子を非道通状態に制御した後、ワイヤレス給電装置の動作を制限する給電動作制限信号をワイヤレス給電装置に送信する。この場合、負荷への電力を遮断してから給電動作を停止させているため、安全に給電動作を停止させることができる。

本発明によれば、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損を防止し、安全性を高めたワイヤレス受電装置およびワイヤレス電力伝送装置を得ることができる。

本発明のワイヤレス電力伝送装置の一実施形態を負荷とともに示す回路構成図である。 本発明のワイヤレス電力伝送装置の各電圧波形を示す波形図である。 本実施形態の変形例に係るワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示す回路構成図である。 本実施形態の変形例に係るワイヤレス電力伝送装置を負荷とともに示す回路構成図である。

本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、本発明のワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の好適な一実施形態を負荷ＲＬとともに示す回路構成図である。ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、ワイヤレス受電装置１００と、ワイヤレス給電装置２００と、を有する。

ワイヤレス給電装置２００は、電源装置２０と、給電コイルユニット２１０を有する。電源装置２０は、給電コイルユニット２１０に交流電力を供給する。電源装置２０としては、交流電力を出力する回路構成であれば特に制限されず、スイッチングコンバータやスイッチングインバータ等のスイッチング電源装置が挙げられる。

給電コイルユニット２１０は、給電コイルＬ１と、給電側共振コンデンサＣ１を有する。給電コイルＬ１は、複数の細い導体素線を撚りあわされたリッツ線又は単線を用いて形成されている。給電コイルＬ１としては、平面コイルやソレノイドコイル等が挙げられる。給電コイルＬ１は、給電側共振コンデンサＣ１とともに給電側ＬＣ共振回路を形成している。

ワイヤレス受電装置１００は、受電コイルユニット１１０と、整流回路１０と、遮断素子ＳＷと、クランプ回路１１と、電圧検出手段１２と、異常検出手段１３と、制御回路１４を有する。給電コイルユニット２１０と受電コイルユニット１１０は磁気的に結合しており、電源装置２０により給電コイルユニット２１０に交流電力が印加され、近接電磁界効果によって受電コイルユニット１１０に誘導起電力が励起される。すなわち、給電コイルＬ１から受電コイルＬ２にワイヤレスにて交流電力が送電される。

受電コイルユニット１１０は、受電コイルＬ２と、受電側共振コンデンサＣ２を有する。受電コイルＬ２は、給電コイルＬ１からの電力をワイヤレスにて受電可能に構成され、複数の細い導体素線を撚りあわされたリッツ線又は単線を用いて形成されている。受電コイルＬ２としては、平面コイルやソレノイドコイル等が挙げられる。受電コイルＬ２は、受電側共振コンデンサＣ２とともに受電側ＬＣ共振回路を形成している。

整流回路１０は、受電コイルＬ２が受電した電力を整流して負荷ＲＬに出力する。整流回路１０としては、例えば、半波整流回路や全波整流回路が挙げられる。本実施形態においては、整流回路１０は、４つのダイオード（整流素子）Ｄ１〜Ｄ４がフルブリッジ接続されたブリッジ型回路と、このブリッジ型回路に並列に接続された平滑コンデンサＣ３から構成されている。平滑コンデンサＣ３は、整流された電圧を平滑して直流電圧を生成する。

遮断素子ＳＷは、整流回路１０と負荷ＲＬとの間に配設されている。具体的には、遮断素子ＳＷの制御端子（図示しない）には制御回路１４（後述する）から制御信号ＳＬが供給され、遮断素子ＳＷの一端（入力端子）が平滑コンデンサＣ３の一端に、他端が負荷ＲＬに接続されている。遮断素子ＳＷは、ワイヤレス受電装置１００が負荷ＲＬに出力する電力を遮断する機能を有するものであれば特に制限されず、例えば、リレースイッチやＦＥＴスイッチ等が挙げられる。

クランプ回路１１は、遮断素子ＳＷの入力端子に接続されている。クランプ回路１１は、直列接続された抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１を有する。スイッチング素子Ｑ１は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）から構成されている。具体的には、スイッチング素子Ｑ１のゲートには制御回路１４（後述する）から制御信号ＳＱ１が供給され、ドレインが抵抗ＲＣの一端に、ソースが負荷ＲＬの一端に接続されている。抵抗ＲＣの他端は、遮断素子ＳＷの入力端子に接続される。

抵抗ＲＣは、負荷ＲＬの抵抗値よりも高い抵抗値を有すると好ましい。この場合、抵抗ＲＣが整流回路１０の出力両端に接続された際に、整流回路１０に入力される電力が下がり、確実に整流回路１０の保護を行うことができる。

電圧検出手段１２は、抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１との間の電圧値を検出する。この電圧検出手段１２により検出される電圧値ＶＣを読み取ることで、電力が整流回路１０から負荷ＲＬへ供給されていることを確認できる。また、電圧検出手段１２は、予め設定された基準電圧値と検出した電圧値ＶＣと比較して、検出した電圧値ＶＣが基準電圧値を下回ると、出力信号ＳＶを制御回路１４（後述する）に送信する。電圧検出手段１２としては、分圧回路や電圧検出トランス等が挙げられる。

異常検出手段１３は、ワイヤレス受電装置１００の異常を検出して異常状態を示す信号ＳＥを制御回路１４（後述する）に送信する。過電流を検出する場合、異常検出手段１３は、カレントトランスや電流センサ等から構成され、整流回路１０と負荷ＲＬとの間に接続される。そして、異常検出手段１３は、負荷ＲＬに流れる電流値を検出して、予め設定された基準電流値と比較して基準電流値を超えた場合に異常状態を示す信号ＳＥを制御回路１４に送信する。過電圧を検出する場合、異常検出手段１３は、分圧回路や電圧検出トランス等から構成され、整流回路１０と負荷ＲＬとの間に接続される。そして、異常検出手段１３は、負荷ＲＬに印加される電圧値を検出して、予め設定された基準電圧値と比較して基準電圧値を超えた場合に異常状態を示す信号ＳＥを制御回路１４に送信する。過温度を検出する場合、異常検出手段１３は、サーミスタ等から構成され、整流回路１０に接続される。そして、異常検出手段１３は、整流回路１０のダイオードＤ１〜Ｄ４の温度を検出して、予め設定された基準温度と比較して基準温度を超えた場合に異常状態を示す信号ＳＥを制御回路１４に送信する。なお、異常検出手段１３は、これら過電流、過電圧、過温度を検出する検出手段を全て備えていてもよく、いずれかの検出手段のみ備えていてもよい。

制御回路１４は、遮断素子ＳＷとスイッチング素子Ｑ１の動作を制御する。すなわち、制御回路１４は、遮断素子ＳＷの導通・非導通状態を制御するとともに、スイッチング素子Ｑ１の導通・非導通状態を制御する機能を有する。より具体的には、制御回路１４は、異常検出手段１３から送信された異常状態を示す信号ＳＥを受信したとき、スイッチング素子Ｑ１のゲートに制御信号ＳＱ１を供給してスイッチング素子Ｑ１を導通状態に制御する。また、電圧検出手段１２が検出した電圧値ＶＣが予め設定された基準電圧値を下回ったとき、遮断素子ＳＷに制御信号ＳＬを供給して遮断素子ＳＷを非導通状態に制御して電力を遮断する。

次に、図２を参照して、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の具体的な動作について詳細に説明する。ここで、図２中の（Ａ）は、異常検出手段が出力する異常状態を示す信号ＳＥの電圧波形を表している。（Ｂ）は、制御信号ＳＱ１の電圧波形を表している。（Ｃ）は、異常検出手段１３が検出する電圧値ＶＣを表している。（Ｄ）は、電圧検出手段１２が出力する出力信号ＳＶの電圧波形を表している。（Ｅ）は、制御信号ＳＬの電圧波形を表している。なお、異常検出手段１３としては、過電圧を検出する検出手段を用いている。

まず、異常検出手段１３が検出する電圧値ＶＣが正常の場合（タイミングｔ１までの期間）、制御回路１４は、図２に示すように、制御回路１４からスイッチング素子Ｑ１へ供給する制御信号ＳＱ１の電位をＬｏｗに制御する（図２（Ｂ））。すなわち、スイッチング素子Ｑ１は非導通状態が維持される。このとき、制御回路１４から遮断素子ＳＷへ供給される制御信号ＳＬの電位はＨｉｇｈに制御する（図２（Ｅ））。すなわち、遮断素子ＳＷは導通状態が維持される。このように、遮断素子ＳＷが導通状態となっているため、受電コイルＬ２が受電した交流電力は整流回路１０によって直流電力に整流され負荷ＲＬに供給される。

タイミングｔ２において、異常検出手段１３がワイヤレス受電装置１００の過電圧を検出すると、制御回路１４に異常状態を示す信号ＳＥが送信される（図２（Ａ））。タイミングｔ３において、制御回路１４は、この異常状態を示す信号ＳＥを受信すると、スイッチング素子Ｑ１へ供給される制御信号ＳＬの電位をＨｉｇｈに制御する（図２（Ｂ））。すなわち、スイッチング素子Ｑ１を導通状態に制御する。これにより、クランプ回路１１が動作することとなり、抵抗ＲＣによって電力が消費され、抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１との間の電圧値が下がる（図２（Ｃ））。ここで、電圧検出手段１２によって抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１との間の電圧値ＶＣが検出されており、この検出された電圧値ＶＣと予め設定された基準電圧値を比較する動作が行われている。

タイミングｔ４において、電圧検出手段１２によって検出された電圧値ＶＣが基準電圧値を下回ると、出力信号ＳＶが制御回路１４に送信される（図２（Ｄ））。制御回路１４は、この出力信号ＳＶを受信すると、図２に示すように、制御回路１４から遮断素子ＳＷへ供給される制御信号ＳＬの電位をＬｏｗに制御する（図２（Ｅ））。すなわち、遮断素子ＳＷを非導通状態に制御する。これにより、負荷ＲＬは、ワイヤレス受電装置１００から切り離されることとなる。これら一連の制御を行うことによって大電力投入時に異常が発生しても整流回路１０と負荷ＲＬを保護することができる。

以上のように、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１では、制御回路１４が異常検出手段１３から送信された異常状態を示す信号ＳＥを受信したとき、スイッチング素子Ｑ１を導通状態に制御し、電圧検出手段１２が検出した電圧値ＶＣが予め設定した基準電圧値を下回ったとき、遮断素子ＳＷを非導通状態に制御して電力を遮断している。そのため、大電力投入時に異常が発生しても、無負荷状態とはならず、抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１間の電圧が十分に低下してから負荷ＲＬへの電力を遮断することができる。したがって、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損が防止され、安全性を高めることができる。

ここで、図３、図４を参照して本実施形態の変形例に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２、Ｓ３について説明する。図３は、本実施形態の変形例に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ２を負荷ＲＬとともに示す回路構成図である。図４は、本実施形態の変形例に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３を負荷ＲＬとともに示す回路構成図である。

図３に示された変形例では、遮断素子ＳＷ１、ＳＷ２は、受電コイルＬ２と整流回路１０との間に配設され、クランプ回路１１は、遮断素子ＳＷ１、ＳＷ２の入力端子に接続されている。本変形例では、遮断素子ＳＷ１、ＳＷ２とクランプ回路１１が受電コイルＬ２と整流回路１０との間に配置されていることとなる。電圧検出手段１２は、クランプ回路１１の抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１との間の電圧値ＶＣを検出する。

本変形例によれば、制御回路１４が異常検出手段１３から送信された異常状態を示す信号ＳＥを受信したとき、スイッチング素子Ｑ１を導通状態に制御し、電圧検出手段１２が検出した電圧値ＶＣが予め設定した基準電圧値を下回ったとき、遮断素子ＳＷ１、ＳＷ２を非導通状態に制御して電力を遮断している。そのため、大電力投入時に異常が発生しても、無負荷状態とはならず、抵抗ＲＣとスイッチング素子Ｑ１間の電圧が十分に低下してから負荷ＲＬへの電力を遮断することができる。したがって、大電力投入時に異常が発生した際の回路を構成する部品の破損が防止され、安全性を高めることができる。

図４に示された変形例では、ワイヤレス給電装置２００は、ワイヤレス給電装置２００の動作を制御する制御回路２１を備え、制御回路１４は、さらにワイヤレス給電装置２００の動作を制限する給電動作制限信号ＳＳをワイヤレス給電装置２００に送信する機能を有している。本変形例では、制御回路１４は、遮断素子ＳＷを非導通状態に制御した後、ワイヤレス給電装置２００の制御回路２１に無線通信を使用して給電動作制限信号ＳＳを送信する。制御回路２１は、この給電動作制限信号を受信すると、電源装置２０の出力を停止させ、ワイヤレス給電装置２００の給電動作を停止させる。

本変形例によれば、負荷ＲＬへの電力を遮断してから給電動作を停止させているため、安全に給電動作を停止させることができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。従って、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

本実施形態においては、給電コイルＬ１が給電側共振コンデンサＣ１とともに給電側ＬＣ共振回路を構成し、受電コイルＬ２が受電側共振コンデンサＣ２とともに受電側ＬＣ共振回路を構成した、いわゆる磁場の共振現象を利用した構成を対象として説明したが、これに限られない。例えば、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２とが磁場結合（誘導結合）する電磁誘導を利用した構成にも適用できる。

１０…整流回路、１１…クランプ回路、１２…電圧検出手段、１３…異常検出手段、１４，２１…制御回路、２０…電源装置、１００…ワイヤレス受電装置、１１０…受電コイルユニット、２００…ワイヤレス給電装置、２１０…給電コイルユニット、Ｃ１…給電側共振コンデンサ、Ｃ２…受電側共振コンデンサ、Ｃ３…平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ４…ダイオード、Ｌ１…給電コイル、Ｌ２…受電コイル、Ｑ１…スイッチング素子、ＲＣ…抵抗、ＲＬ…負荷、Ｓ１〜Ｓ３…ワイヤレス電力伝送装置、ＳＥ…異常状態を示す信号、ＳＱ１，ＳＬ…制御信号、ＳＳ…給電動作制限信号、ＳＶ…出力信号、ＳＷ，ＳＷ１，ＳＷ２…遮断素子、ＶＣ…検出した電圧値。

Claims (3)

1. 受電コイルにてワイヤレスで電力を受電するワイヤレス受電装置であって、
   前記受電コイルと、
   前記受電コイルが受電した電力を整流して負荷に出力する整流回路と、
   前記受電コイルと前記整流回路との間、又は、前記整流回路と前記負荷との間に配設される遮断素子と、
   直列接続された抵抗およびスイッチング素子を有するクランプ回路と、
   前記抵抗と前記スイッチング素子間の電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記ワイヤレス受電装置の異常を検出して異常状態を示す信号を送信する異常検出手段と、
   前記遮断素子と前記スイッチング素子の動作を制御する制御回路と、を備え、
   前記クランプ回路は、前記遮断素子の入力端子に接続され、
   前記制御回路は、前記異常検出手段から送信された異常状態を示す信号を受信したとき、前記スイッチング素子を導通状態に制御し、前記電圧検出手段が検出した電圧値が予め設定した基準電圧値を下回ったとき、前記遮断素子を非導通状態に制御して電力を遮断するワイヤレス受電装置。
2. 請求項１に記載のワイヤレス受電装置と、ワイヤレス給電装置を備えたワイヤレス電力伝送装置。
3. 前記制御回路は、前記遮断素子を非導通状態に制御した後、前記ワイヤレス給電装置の動作を制限する給電動作制限信号を前記ワイヤレス給電装置に送信する請求項２に記載のワイヤレス電力伝送装置。

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