JP6168254B2 - 電圧検出回路、送電装置および電力伝送システム - Google Patents

Description

本発明は、交流電圧を検出する電圧検出回路、それを備え、ワイヤレスで受電装置に電力伝送する送電装置、および、それを備えた電力伝送システムに関する。

特許文献１には、磁界結合を利用した電力伝送システムであって、送電側の結合用コイルに対して異物が載置されているか否かを検出する電力伝送システムが開示されている。特許文献１に記載の電力伝送システムでは、その送電装置において、結合用コイルにかかる電圧を検出し、検出電圧の変動に基づいて、異物の有無を検出する。

特開２００６−６０９０９号公報

特許文献１に記載の送電装置は差動回路であって、結合用コイルの電圧を検出するため、電力伝送ラインの片方とグランドとの間に分圧抵抗を設け、電圧を検出している。この場合、差動電圧が非対称となった場合、特許文献１に記載の電圧検出方法では、結合用コイルの両端にかかる実際の電圧との間に誤差が生じ、検出精度が低いといった問題がある。また、特許文献１に記載の電圧検出方法では、電力伝送ラインの片方のみの電位しか検出できず、結合用コイルの両端にかかる差動電圧を測定できないといった問題もある。

そこで、本発明の目的は、電力伝送ラインの電位に関わらず、高い検出感度で交流電圧を検出する電圧検出回路、送電装置および電力伝送システムを提供することにある。

本発明に係る電圧検出回路は、交流電圧を入力する入力端子対と、前記入力端子対に接続された１次側インダクタと、前記１次側インダクタと磁界結合する２次側インダクタと、前記２次側インダクタに並列接続され、前記２次側インダクタと共に２次側共振回路を構成する２次側キャパシタと、前記２次側共振回路からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、を備えることを特徴とする。

この構成では、１次側インダクタに交流電圧が印加されると、２次側インダクタに電圧が誘起し、その電圧を検出することで、１次側インダクタに印加された交流電圧を推定（算出）できる。２本の電力伝送ライン間の電位差（差動電圧）を検出する場合、２本の電力伝送ライン間に１次側インダクタを接続することで、１次側インダクタに印加される交流電圧（差動電圧）を推定できる。回路の基準電位（グランド）を基準にして２本の電力伝送ラインそれぞれの電位を検出したうえで、減算等の処理をする必要が無く、２本の電力伝送ライン間の電位差（差動電圧）を直接検出可能である。また、基準電位（グランド）との電位差を検出する場合、信号ラインと基準電位との間に１次側インダクタを接続することで、１次側インダクタに印加される交流電圧を推定できる。すなわち、本発明に係る電圧検出回路は、差動ラインであるか否か（電力伝送ラインの片側が接地されているか否か）にかかわらず、同じ構成で電圧検出が可能である。また、２次側共振回路の共振周波数を、検出する交流電圧の周波数に近づけることで、２次側共振回路からの出力電圧を高くでき、電圧の検出感度を高めることができる。

本発明において、前記２次側共振回路の共振周波数は、前記入力端子対から入力される交流電圧の周波数であることが好ましい。

この構成では、誤差要因になる高調波成分を低減でき、測定精度を高めることができる。

本発明に係る電圧検出回路は、前記１次側インダクタに並列接続された１次側キャパシタを備え、前記１次側インダクタおよび前記１次側キャパシタは、１次側共振回路を構成する、ことが好ましい。

この構成では、１次側キャパシタを設けることで、安定的に電圧を検出できる。

本発明に係る電圧検出回路において、前記１次側共振回路の共振周波数は、前記入力端子対に入力される交流電圧の周波数である、ことが好ましい。

この構成では、２次側インダクタに高い電圧を誘起させることができる。

本発明に係る電圧検出回路において、前記１次側共振回路の共振周波数は、前記２次側共振回路の共振周波数と同じである、ことが好ましい。

この構成では、複合共振を利用して、駆動周波数近傍の周波数特性を平坦化させることができる。

本発明では、前記入力端子対に入力される交流電圧の周波数は、前記１次側共振回路および前記２次側共振回路により定まる二つの共振周波数と同じ、またはその間の周波数である、ことが好ましい。

この構成では、広い周波数帯域で交流電圧を安定して電圧検出できる。

本発明は、前記二つの共振周波数が高調波周波数と異なるように、前記１次側インダクタと前記２次側インダクタとの間の結合度が設定されてもよい。

この構成では、高調波を減衰させて、高調波による誤差を低減でき、測定精度を高めることができる。

本発明に係る電圧検出回路は、前記入力端子対および前記１次側インダクタの間に直列接続されるインピーダンス素子を備えることが好ましい。

この構成では、直列インピーダンスに入力端子対間の電圧を分担させることによって、より高い電圧を測定できる。

本発明に係る電圧検出回路では、前記インピーダンス素子はキャパシタであることが好ましい。

この構成では、キャパシタを用いることで、入力端子対に接続される主線路と、電圧検出回路との直流的な絶縁性を保つことができる。１次側インダクタと２次側インダクタとの間に直流電圧が印加されないため、直流電圧によるストレスを低減でき、インダクタ間の絶縁信頼性を高めることができる。

本発明は、送電結合部を備え、受電装置が有する受電結合部と前記送電結合部とを電界または磁界の少なくとも一方により結合させて、前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、直流電圧を交流電圧に変換し、前記送電結合部へ出力するインバータ回路と、前記送電結合部を含み、前記インバータ回路と前記送電結合部との間に設けられた共振回路と、前記インバータ回路と前記送電結合部との間に設けられた、本発明の電圧検出回路と、前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、前記送電結合部側の状態を検出する状態検出部と、を備えたことを特徴とする。

この構成では、例えば、受電装置の送電装置への搭載有無、搭載位置、負荷変動状態、異常状態有無などの状態検出、および、状態判定などを行うことができる。

本発明に係る送電装置は、前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、前記インバータ回路から送電結合部を視たインピーダンスを検出するインピーダンス検出部を備え、前記状態検出部は、前記インピーダンス検出部が検出したインピーダンスに基づいて、前記送電結合部側の状態を検出することが好ましい。

この構成では、検出したインピーダンスの値（変動）に基づいて、例えば、受電装置の送電装置への搭載有無、搭載位置、負荷変動状態、異常状態有無などの状態検出、および、状態判定などを行うことができる。

本発明に係る送電装置において、前記電圧検出回路は差動ライン（平衡線路）間の電圧を検出する、ことが好ましい。

本発明に係る送電装置において、前記送電結合部は、前記受電結合部と磁界結合するコイルであることが好ましい。

本発明に係る電力伝送システムは、本発明に係る送電装置と、電界または磁界の少なくとも一方により前記送電結合部と結合する前記受電結合部、および、前記受電結合部に誘起される電圧を整流平滑し、負荷へ出力する整流平滑回路を有する受電装置とを備えたことを特徴とする。

この構成では、受電装置の送電装置への搭載有無、搭載位置、負荷変動状態、異常状態有無などの状態検出、および、状態判定などを行うことができる。

本発明によれば、差動ラインであるか否か（電力伝送ラインの片側が接地されているか否か）にかかわらず、同じ構成で電圧検出が可能である。また、２次側共振回路の共振周波数を、検出する交流電圧の周波数に近づけることで、電圧の検出感度を高めることができる。

図１は、実施形態１に係る電圧検出回路の回路図である。 図２は、２次側の出力電圧の周波数特性を示す図である。 図３は、共振を用いない場合における、２次側の出力電圧の周波数特性を示す図である。 図４は、電圧利得の周波数特性を示す図である。 図５は、結合係数を異ならせた場合の電圧利得の周波数特性を示す図である。 図６は、結合係数に対する電圧利得の関係を示す図である。 図７は、結合係数が０．６８２のときの電圧利得の周波数特性を示す図である。 図８（Ａ）および図８（Ｂ）は整流回路の変形例を示す図である。 図９（Ａ）および図９（Ｂ）は整流回路の変形例を示す図である。 図１０は、実施形態２に係る電力伝送システムの回路図である。 図１１は、制御回路が有する機能を示すブロック図である。 図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、別の位置に電圧検出回路を設けた例を示す図である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る電圧検出回路１の回路図である。

電圧検出回路１は、交流信号が流れる２本の電力伝送ライン２Ａ，２Ｂの電位差（差動電圧）ＶＡＣを検出する。電圧検出回路１は、接続部１０Ａ，１０Ｂを備えている。接続部１０Ａは、電力伝送ライン２Ａに接続される。接続部１０Ｂは、電力伝送ライン２Ｂに接続される。電圧検出回路１には、接続部１０Ａ，１０Ｂから電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに生じる交流電圧が入力される。電圧検出回路１は、入力された交流電圧を検出することで、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂの差動電圧ＶＡＣを検出（推定）する。接続部１０Ａ，１０Ｂは、本発明に係る「入力端子対」の一例である。なお、電圧検出回路１は、片側が接地されている場合であっても電力伝送ライン２Ａ，２Ｂ間に生じる電位差の交流成分を同様に検出できる。

電圧検出回路１は、キャパシタＣ４１，Ｃ４２を備えている。キャパシタＣ４１，Ｃ４２は、接続部１０Ａ，１０Ｂの間に直列接続されている。また、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のキャパシタンスは同じであり、接続部１０Ａ，１０Ｂから入力される交流電圧を分圧する。キャパシタＣ４１，Ｃ４２は、本発明に係る「インピーダンス素子」の一例である。

電圧検出回路１は、１次側共振回路１１および２次側共振回路１２を備えている。１次側共振回路１１は、キャパシタＣ４１，Ｃ４２の間に設けられている。なお、１次側共振回路１１と電力伝送ライン２Ａ，２Ｂとの間にキャパシタＣ４１，Ｃ４２が設けられることで、１次側共振回路１１と電力伝送ライン２Ａ，２Ｂとの間が分離、絶縁され、共振回路１１，１２による電力伝送ライン２Ａ，２Ｂへの影響が低減される。後に詳述するが、共振回路１１，１２は、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに生じる交流電圧の周波数と一致するように定数設定されていて、結合共振（複合共振）する。接続部１０Ａ，１０Ｂから入力され、キャパシタＣ４１，Ｃ４２により分圧された交流電圧が１次側共振回路１１に入力された場合、磁界結合により、２次側共振回路１２に交流電圧が誘起される。２次側共振回路１２には、ダイオードＤ１およびキャパシタＣ３の整流平滑回路が接続されている。２次側共振回路１２から出力される交流電圧は、整流平滑回路により整流平滑され、負荷Ｒ１へ印加される。

電圧検出回路１は、電圧検出部１３を備えている。電圧検出部１３は、負荷Ｒ１の両端電圧ＶＤＣを検出する。そして、両端電圧ＶＤＣから、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂ間の差動電圧ＶＡＣの大きさを検出する。適宜、差動電圧ＶＡＣと両端電圧ＶＤＣの相関を利用して、補正・換算を行い処理する。電圧検出部１３は、本発明に係る「出力電圧検出部」の一例である。

以下に、１次側共振回路１１および２次側共振回路１２について、詳述する。

１次側共振回路１１は、キャパシタＣ１およびインダクタＬ１を有している。キャパシタＣ１は、キャパシタＣ４１，Ｃ４２の間に設けられている。インダクタＬ１は、キャパシタＣ１に対し並列接続されている。キャパシタＣ１は、本発明に係る「１次側キャパシタ」の一例である。インダクタＬ１は、本発明に係る「１次側インダクタ」の一例である。

インダクタＬ１の接続ラインは、直流的に基準電位から浮いているため、図１では、インダクタＬ１を基準電位に接続している。なお、図１ではキャパシタＣ１の一端を基準電位に接続しているが、キャパシタＣ１を２分割して、その中点を基準電位に接続してもよい。１次側回路を対称にすることができ、平衡回路のバランスを保つことができる。また、インダクタＬ１は、分圧容量のリアクタンスに対して高い抵抗（例えば100kΩ）、インダクタＬ１の中点等を介して基準電位に接続されてもよい。これにより、インダクタＬ１を構成する導体が帯電することによる影響を回避できる。

２次側共振回路１２は、インダクタＬ２およびキャパシタＣ２を有している。インダクタＬ２は、インダクタＬ１と磁界結合する。キャパシタＣ２は、インダクタＬ２に対し並列接続されている。キャパシタＣ２は、本発明に係る「２次側キャパシタ」の一例である。インダクタＬ２は、本発明に係る「２次側インダクタ」の一例である。

共振回路１１，１２の共振周波数は、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに生じる交流電圧の周波数と一致するよう設定されている。ここで、「一致する」とは、完全一致に限らない。共振回路１１，１２の共振周波数と、交流電圧の周波数とが近い場合、電圧検出部１３による電圧検出感度は増大する。この電圧検出感度は、共振回路１１，１２を用いない場合と比べて、約２倍となることが好ましい。詳しくは、共振回路１１，１２の共振周波数は、交流電圧の周波数に対して±２５％の範囲内に含まれていることが好ましく、この場合、二つの周波数は「一致する」ものとみなす。

なお、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のキャパシタンスは、共振回路１１，１２の共振特性に影響を及ぼさないよう、小さいことが好ましい。例えば、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のキャパシタンスを共振回路１１のキャパシタＣ１の１／５以下とする。また、共振回路１１と共振回路１２を分離、絶縁するために、共振回路１１と共振回路１２の間の寄生容量を低くすることが望ましい。

磁界結合する共振回路１１，１２を複合共振させて、１次側から入力された電圧を２次側で検出することで、高い電圧検出感度を得られつつ、広い周波数帯域で交流電圧を安定して検出できる。

図２は、２次側の出力電圧の周波数特性を示す図である。図３は、共振を用いない場合における、２次側の出力電圧の周波数特性を示す図である。図３は、図２の対比として示している。図２および図３の横軸は周波数、縦軸は、感度（１次側の電圧を１００Ｖとした場合の２次側の電圧）である。また、１次側共振回路１１および２次側共振回路１２の共振周波数は、６．７８ＭＨｚ（以下、この周波数を基本波という）である。

図２および図３を比較すると、共振周波数６．７８ＭＨｚ近傍では、複合共振を利用した図２の方が、高い感度を得られることが判る。すなわち、複合共振を利用した方が、２次側の電圧(出力電圧)は高い。また、１次側共振回路１１および２次側共振回路１２を複合共振させた場合、図２に示すように、５．８ＭＨｚおよび７．８ＭＨｚ近傍に２つの共振点が存在する。この２つの共振点の間（６．２ＭＨｚと７．４ＭＨｚとの間）では、感度は略一定である。このため、この周波数帯域を利用して、検出する交流電圧の周波数が変動する場合であっても、駆動周波数（６．７８ＭＨｚ）近傍の周波数特性を平坦化させることができ、安定して電圧を検出することができる。

なお、図２では、交流電圧の位相特性を破線で示している。位相特性も同様に、２つの共振点の間（６．２ＭＨｚと７．４ＭＨｚとの間）では略一定である。すなわち、本実施形態に係る回路構成を用いることで、位相検出精度も高くすることができる。

１次側共振回路１１および２次側共振回路１２を複合共振させる場合、複合共振周波数（二つの共振周波数）は、高調波周波数と異なるように設定する。詳しくは、複合共振周波数は、何れも２次高調波未満（１３．５６ＭＨｚ）であって、誤差要因による高調波成分（２次高調波、３次高調波、、）を増幅させないことが条件である。それを以下に説明する。

図４は、電圧利得の周波数特性を示す図である。電圧利得は、１次側の入力電圧と２次側の出力電圧との比である。この例では、１次側インダクタと２次側インダクタとの間の結合度（結合係数）は約０．４である。この場合、２次高調波（１３．５６ＭＨｚ）の電圧利得（約−４０ｄＢ）は、基本波（６．７８ＭＨｚ）の電圧利得（約−２０ｄＢ）よりも約２０ｄＢ低い。すなわち、複合共振による周波数特性が高調波を減衰させるフィルタとして機能し、高調波による誤差を低減でき、測定精度を高めることができる。

この複合共振周波数は、１次側インダクタと２次側インダクタとの間の結合度によって設定できる。図５は、結合係数を異ならせた場合の電圧利得の周波数特性を示す図である。図５では、結合係数が、０．４、０．６、０．８の場合の周波数特性を示す。この図から、結合係数が大きいと、複合共振周波数の高周波側の共振周波数は高くなっていることが判る。また、それに伴い、高調波周波数（２次高調波２ｆ０、３次高調波３ｆ０）での電圧利得も高くなっていることが判る。

図６は、結合係数に対する電圧利得の関係を示す図である。図７は、結合係数が０．６８２のときの電圧利得の周波数特性を示す図である。これらの図から、結合係数が約０．６８２のとき、基本波（６．７８ＭＨｚ）での電圧利得と、２次高調波（１３．５６ＭＨｚ）での電圧利得とはほぼ一致していることが読み取れる。

すなわち、基本波（６．７８ＭＨｚ）での電圧利得が、２次高調波（１３．５６ＭＨｚ）での電圧利得よりも高くなるように、１次側インダクタと２次側インダクタとの間の結合係数は、０．６８２よりも小さく設定することが望ましい。

このように、電圧検出回路１は、共振を利用して２次側共振回路１２の出力電圧を高くすることで、２次側の電圧の検出感度を高くすることができる。このため、検出感度を高くするために２次側共振回路１２の後段に電圧増幅回路を設ける必要がない。また、検出感度が高いため、１次側共振回路１１への入力電圧は低くてもよく、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のインピーダンスを大きくすることができる。その結果、キャパシタＣ４１，Ｃ４２が接続されても、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに生じる交流電圧、または、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに流れる交流電流への影響を軽減できる。

さらに、共振を利用することで、電力伝送ライン２Ａ，２Ｂに生じる交流電圧の波形に歪がある場合であっても、基本波成分のみを抽出できる。よって、電圧検出回路１による基本波成分の電圧検出精度を高くすることができる。

なお、本実施形態では、複合共振する１次側共振回路１１および２次側共振回路１２を備えているが、電圧検出回路１の構成は、これに限定されない。例えば、キャパシタＣ１を備えず、１次側共振回路１１を構成していなくてもよい。この場合、キャパシタＣ４１，Ｃ４２の間にはインダクタＬ１のみが設けられた構成となる。この構成であっても、２次側共振回路１２により、高い検出電圧感度を得ることができる。

また、図１に示した電圧検出回路１の回路図では、２次側共振回路１２の後段に整流平滑回路を設け、電圧検出部１３は直流電圧を検出している。電圧検出部１３は、２次側共振回路１２が出力する交流電圧を直接検出し、その検出結果から電力伝送ライン２Ａ，２Ｂの差動電圧ＶＡＣを測定してもよい。

さらに、電圧検出回路１は、キャパシタＣ４１，Ｃ４２を備えなくてもよい。この場合、電圧検出回路と電力伝送ライン２Ａ，２Ｂとの間それぞれに分圧用のキャパシタを別途接続し、二つのキャパシタの間に電圧検出回路を設けるようにしてもよい。

本実施形態では、２つの電力伝送ライン２Ａ，２Ｂの間に電圧検出回路１を設け、差動電圧を検出する場合について説明したたが、電力伝送ラインと基準電位（グランド）との間に電圧検出回路１を設け、基準電位からの電力伝送ラインの電位を検出するようにしてもよい。

なお、整流回路は、図１に示す構成に限定されない。以下、整流回路の変形例について説明する。

図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図９（Ａ）および図９（Ｂ）は整流回路の変形例を示す図である。

図８（Ａ）に示す整流回路は、キャパシタＣ３１，Ｃ３２、ダイオードＤ２および抵抗Ｒ２から構成されている。図８（Ｂ）に示す整流回路は、ダイオードＤ３１，Ｄ３４およびキャパシタＣ３３から構成される整流回路と、ダイオードＤ３２，Ｄ３３およびキャパシタＣ３４から構成される整流回路とを含む。この場合、負荷Ｒ３１，Ｒ３２それぞれの両端電圧により、２次側共振回路１２が出力する交流電圧を半波ずつ、個別に電圧を検出することができる。

図９（Ａ）に示す整流回路は、２倍の整流電圧を出力する半波倍電圧整流回路であり、キャパシタＣ３５，Ｃ３２およびダイオードＤ２，Ｄ４から構成されている。図９（Ｂ）に示す整流回路は、２倍の整流電圧を出力する両波倍電圧整流回路であり、キャパシタＣ３３，Ｃ３６，Ｃ３７およびダイオードＤ５，Ｄ６から構成されている。

（実施形態２）
図１０は、実施形態２に係る電力伝送システム１００の回路図である。

電力伝送システム１００は、実施形態１に係る電圧検出回路１を有する送電装置１０１と、受電装置２０１とを備えている。受電装置２０１は負荷回路２１１を備えている。この負荷回路２１１は充電回路および二次電池を含む。なお、二次電池は受電装置２０１に対し着脱式であってもよい。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。送電装置１０１は、載置された受電装置２０１の二次電池を充電するための充電台である。

送電装置１０１は、直流電圧を出力する直流電源Ｖｉｎを備えている。直流電源Ｖｉｎは、商用電源に接続されるＡＣアダプタである。直流電源Ｖｉｎには、インバータ回路１１１および送電側共振結合部１１３が順次接続されている。インバータ回路１１１は、直流電圧を交流電圧に変換する。なお、インバータ回路には、高調波成分、電力伝送周波数より高い高周波成分を除去するフィルタ回路が含まれる場合がある。送電側共振結合部１１３は、１次コイルＮ１およびキャパシタＣ５１，Ｃ５２を含む。１次コイルＮ１は、本発明に係る「送電結合部」の一例である。

送電装置１０１は制御回路１１２を備えている。制御回路１１２は、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送する際、インバータ回路１１１を最適なスイッチング周波数でスイッチング制御する。また、制御回路１１２は、送電側共振結合部１１３側の状態を検出する。制御回路１１２については、後述する。

受電装置２０１は、受電側共振結合部２１３を備えている。受電側共振結合部２１３は、２次コイルＮ２およびキャパシタＣ６を含む。２次コイルＮ２は、送電装置１０１の送電側共振結合部１１３の１次コイルＮ１と磁界結合する。この結合を介して、送電装置１０１から受電装置２０１へワイヤレスで電力が伝送される。２次コイルＮ２は、本発明に係る「受電結合部」の一例である。

受電側共振結合部２１３には受電側回路２１２が接続されている。受電側回路２１２は、２次コイルＮ２に誘起された電圧を整流および平滑し、安定化された所定電圧に変換して、負荷回路２１１へ供給する。受電側回路２１２は、本発明に係る「整流平滑回路」の一例である。

以下に、制御回路１１２について詳述する。図１１は、制御回路１１２が有する機能を示すブロック図である。制御回路１１２は、スイッチング制御部１１２Ａ、電流検出部１１２Ｂ、電圧検出部１１２Ｃ、インピーダンス検出部１１２Ｄおよび状態検出部１１２Ｅを備えている。

スイッチング制御部１１２Ａは、所定のスイッチング周波数（例えば、ＩＳＭ帯の６．７８ＭＨｚ、１３．５６ＭＨｚなどの高周波を利用する。）でインバータ回路１１１をスイッチング制御する。送電側共振結合部１１３および受電側共振結合部２１３それぞれの共振周波数がスイッチング周波数の近傍になるよう共振回路の定数が設定される。

電流検出部１１２Ｂは、インバータ回路１１１から出力される交流電流の大きさを検出する。図１０に示すように、インバータ回路１１１および送電側共振結合部１１３間の電力伝送ラインには、カレントトランスＣＴおよび抵抗Ｒ４が設けられている。抵抗Ｒ４の両端には、整流・平滑回路（図示せず）が接続されている。電流検出部１１２Ｂには、抵抗Ｒ４の両端電圧の大きさに比例した直流電圧が入力される。これにより、電流検出部１１２Ｂは、インバータ回路１１１から出力される交流電流の大きさを検出する。

なお、カレントトランスＣＴに代えて、既知のインピーダンスを直列接続し、電流検出部１１２Ｂは、その両端電圧を検出し、その検出結果から交流電流の大きさを得る構成であってもよい。なお、ここでいう交流電流の大きさは振幅、実効値（ｒｍｓ）等の位相情報を含まない値の何れかである。

電圧検出部１１２Ｃは、インバータ回路１１１から出力される交流電圧の大きさを検出する。図１０に示すように、インバータ回路１１１の出力側には、実施形態１で説明した電圧検出回路１が設けられている。電圧検出回路１は、負荷Ｒ１の両端電圧を検出し、負荷Ｒ１の両端電圧から差動電圧の大きさを検出する。電圧検出回路１が検出する差動電圧の大きさは、インバータ回路１１１から出力された交流電圧の大きさである。電圧検出部１１２Ｃには、電圧検出回路１が検出した、差動電圧の大きさ、すなわち、インバータ回路１１１から出力された交流電圧の大きさが入力される。これにより、電圧検出部１１２Ｃは、インバータ回路１１１から出力された交流電圧の大きさを検出する。

実施形態１で説明したように、電圧検出回路１により電圧検出感度を高くすることができるため、キャパシタＣ４１，Ｃ４２のインピーダンスを大きくできる。その結果、インバータ回路１１１および送電側共振結合部１１３間の信号ラインへの影響を軽減できるため、電力伝送効率は低減されない。また、送電側共振結合部１１３へ印加される電圧が差動ライン（平衡線路）間の電圧であっても、電圧検出のために基準電位（グランド）に接続する必要がない。さらに、電圧検出回路１は複合共振を利用しているため、広い周波数帯域で、インバータ回路１１１からの交流電圧の大きさを安定して検出できる。

インピーダンス検出部１１２Ｄは、電流検出部１１２Ｂが検出した交流電流の大きさと、電圧検出部１１２Ｃが検出した交流電圧の大きさとから、入力インピーダンスを検出する。入力インピーダンスは、インバータ回路１１１から送電側共振結合部１１３側を視たときのインピーダンスであり、送電側共振結合部１１３を含んでいる。

状態検出部１１２Ｅは、インピーダンス検出部１１２Ｄが検出した入力インピーダンスから、送電側共振結合部１１３側の状態検出を行う。状態検出の一例として、異常状態の検出方法について述べる。なお、異常状態の検出方法は一例であるため、これに限らない。

状態検出部１１２Ｅは、正常状態と見なせるインピーダンスの範囲を保持（記憶）している。状態検出部１１２Ｅは、算出した入力インピーダンスが、記憶している正常時での入力インピーダンスの範囲と比較して、送電側共振結合部１１３側が異常状態であるか否かを判定する。

状態検出部１１２Ｅが、送電装置１０１に異物が載置されているなど、送電側共振結合部１１３側が異常状態であると判定した場合、制御回路１１２は、例えば、伝送電力を低下させ、または、電力伝送動作を停止させる。また、ランプの点灯、警告音等によって異常を報知することもできる。

なお、異常状態検出以外の状態検出、例えば、受電装置２０１の送電装置１０１への搭載有無、搭載位置、負荷変動状態なども、同様に入力インピーダンスの値、または、その変動態様により検出できる。受電装置２０１の搭載位置がずれている場合には、送電側共振結合部１１３および受電側共振結合部２１３それぞれの共振周波数がずれるため、電力伝送効率が低下し、電流、電圧の振幅が上昇し、または、発熱する。その場合、安全のために送電電力を低下させることができる。

上述のように、送電装置１０１では、電圧検出回路１により、インバータ回路１１１からの交流電圧を感度よく検出でき、また、広い周波数帯域で安定して検出できる。このため、入力インピーダンスの検出精度も高く、送電側共振結合部１１３側の状態を精度よく検出できる。

なお、電流検出部１１２Ｂおよび電圧検出部１１２Ｃは、整流平滑回路を用いず、位相を含めた交流電流および交流電圧を検出してもよい。そして、高速演算処理により、インピーダンス検出部１１２Ｄは、位相を含めた入力インピーダンス（Ｒ＋ｊＸ）を検出してもよい。この場合、状態検出部１１２Ｅは、算出した入力インピーダンスが、例えば、実部Ｒがしきい値を超えているか否か、または、虚部Ｘが正常時での入力インピーダンスと異なるか否かによって、送電側共振結合部１１３側の状態を検出してもよい。

なお、本実施形態では、電流検出部１１２Ｂおよび電圧検出部１１２Ｃを備えて、送電側共振結合部１１３側をみた入力インピーダンスを検出し、送電側共振結合部１１３側の状態を検出したが、電圧検出部１１２Ｃが検出する交流電圧のみで送電側共振結合部１１３側の状態を検出できる場合もある。例えば、インバータ回路１１１の出力が電流源である場合、または、インバータ回路１１１の出力インピーダンスの影響により出力電圧が一定とならない場合などでは、交流電圧のみで送電側共振結合部１１３側の状態を検出してもよい。

また、本実施形態では、電力伝送システム１００は、送電装置１０１と受電装置２０１とを磁界結合させて電力伝送を行っているが、電界結合または電磁界結合（電界結合および磁界結合）させて電力伝送を行うようにしてもよい。

なお、本実施形態では、インバータ回路１１１の直後に電圧検出回路１を設けて、差動ライン（平衡線路）間の電圧を検出しているが、電圧検出回路１を設ける位置は、図１０に示す位置に限定されず、測定対象は差動ライン間の電圧に限られない。

図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）は、別の位置に電圧検出回路１を設けた例を示す図である。

図１２（Ａ）は、キャパシタＣ５１の両端に電圧検出回路１を設けた例である。この場合、キャパシタＣ５１の両端電圧を検出して電流を検出することで、電圧検出回路１を大電流の測定に用いることができる。図１２（Ｂ）は、１次コイルＮ１の両端に電圧検出回路１を設けた例である。この場合、最も高い電圧が印加される１次コイルＮ１の両端電圧を測定できる。

Ｃ１…キャパシタ
Ｃ２…キャパシタ
Ｃ３，Ｃ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，Ｃ３４，Ｃ３５，Ｃ３６，Ｃ３７…キャパシタ
Ｃ４１，Ｃ４２…キャパシタ
Ｃ５１，Ｃ５２…キャパシタ
Ｃ６…キャパシタ
ＣＴ…カレントトランス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３１，Ｄ３２，Ｄ３３，Ｄ３４，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ６…ダイオード
Ｌ１，Ｌ２…インダクタ
Ｎ１…１次コイル
Ｎ２…２次コイル
Ｒ１…負荷
Ｒ２…抵抗
Ｒ３１，Ｒ３２…負荷
Ｒ４…抵抗
ＶＡＣ…差動電圧
ＶＤＣ…両端電圧
Ｖｉｎ…直流電源
１…電圧検出回路
２Ａ，２Ｂ…電力伝送ライン
１０Ａ，１０Ｂ…接続部
１１…１次側共振回路
１２…２次側共振回路
１３…電圧検出部
１００…電力伝送システム
１０１…送電装置
１１１…インバータ回路
１１２…制御回路
１１２Ａ…スイッチング制御部
１１２Ｂ…電流検出部
１１２Ｃ…電圧検出部
１１２Ｄ…インピーダンス検出部
１１２Ｅ…状態検出部
１１３…送電側共振結合部
２０１…受電装置
２１１…負荷回路
２１２…受電側回路
２１３…受電側共振結合部

Claims (13)

1. 交流電圧を入力する入力端子対と、
   前記入力端子対に接続された１次側インダクタと、
   前記１次側インダクタと磁界結合する２次側インダクタと、
   前記２次側インダクタに並列接続され、前記２次側インダクタと共に２次側共振回路を構成する２次側キャパシタと、
   前記２次側共振回路からの出力電圧を検出する出力電圧検出部と、
   前記１次側インダクタに並列接続された１次側キャパシタと、を備え、
   前記１次側インダクタおよび前記１次側キャパシタは、１次側共振回路を構成する、
   電圧検出回路。
2. 前記２次側共振回路の共振周波数は、前記入力端子対から入力される交流電圧の周波数である、
   請求項１に記載の電圧検出回路。
3. 前記１次側共振回路の共振周波数は、前記入力端子対に入力される交流電圧の周波数である、
   請求項１または２に記載の電圧検出回路。
4. 前記１次側共振回路の共振周波数は、前記２次側共振回路の共振周波数と同じである、
   請求項１から３のいずれかに記載の電圧検出回路。
5. 前記入力端子対に入力される交流電圧の周波数は、前記１次側共振回路および前記２次側共振回路により定まる二つの共振周波数と同じ、またはその間の周波数である、
   請求項４に記載の電圧検出回路。
6. 前記二つの共振周波数が高調波周波数と異なるように、前記１次側インダクタと前記２次側インダクタとの間の結合度が設定される、
   請求項５に記載の電圧検出回路。
7. 前記入力端子対および前記１次側インダクタの間に直列接続されるインピーダンス素子、
   を備える請求項１から６のいずれかに記載の電圧検出回路。
8. 前記インピーダンス素子はキャパシタである、請求項７に記載の電圧検出回路。
9. 送電結合部を備え、受電装置が有する受電結合部と前記送電結合部とを電界または磁界の少なくとも一方により結合させて、前記受電装置へ電力を伝送する送電装置において、
   直流電圧を交流電圧に変換し、前記送電結合部へ出力するインバータ回路と、
   前記送電結合部を含み、前記インバータ回路と前記送電結合部との間に設けられた共振回路と、
   前記インバータ回路と前記送電結合部との間に設けられた、請求項１から８のいずれかに記載の電圧検出回路と、
   前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、前記送電結合部側の状態を検出する状態検出部と、
   を備えた、送電装置。
10. 前記電圧検出回路が検出した電圧に基づいて、前記インバータ回路から前記送電結合部を視たインピーダンスを検出するインピーダンス検出部、
    を備え、
    前記状態検出部は、
    前記インピーダンス検出部が検出したインピーダンスに基づいて、前記送電結合部側の状態を検出する、
    請求項９に記載の送電装置。
11. 前記電圧検出回路は差動電圧を検出する、
    請求項１０に記載の送電装置。
12. 前記送電結合部は、前記受電結合部と磁界結合するコイルである、
    請求項９から１１のいずれかに記載の送電装置。
13. 請求項９から１２のいずれかに記載の送電装置と、
    電界または磁界の少なくとも一方により前記送電結合部と結合する前記受電結合部、および、前記受電結合部に誘起される電圧を整流平滑し、負荷へ出力する整流平滑回路を有する受電装置と、
    を備えた電力伝送システム。

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