JP6247441B2

JP6247441B2 - 受電装置及び非接触電力伝送システム

Info

Publication number: JP6247441B2
Application number: JP2013002251A
Authority: JP
Inventors: 優希高橋; 和政牧田
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2013-01-10
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: JP2014135836A

Description

本発明は、非接触で電力を受電する受電装置に関する。

送電装置から受電装置へ電磁誘導により非接触で電力伝送を行う技術が提案されている。

電磁誘導により電力伝送を行うためには、時間変化する磁場を発生させなければならないが、このような変動磁場の周波数が高い場合は、送電装置、受電装置内部での電力の反射損失が無視できなくなるため、例えば特許文献１のようなインピーダンス整合技術が提案されている。

特開２０１２−１１０１５４号公報

特許文献１のように、インピーダンス整合により受電装置内部での反射損失が最小化されていたとしても、受電装置における受電コイルに対して不適切なインピーダンスが選択されていれば、電力伝送時に受電コイルに過電流が生じることで受電コイル自身が発熱し、劣化する可能性があるという課題がある。

すなわち、本発明の目的は、受電装置内部で過剰な電流が発生することによる受電コイルの発熱劣化を防ぐことにある。

上記課題を、本発明は、受電コイルと、インピーダンスを整合させる整合回路部と、インピーダンス変換を行う変換回路部と、負荷部を備え、前記受電コイルにより受電した電力は、前記整合回路部、及び前記変換回路部を介して前記負荷部へ送電され、前記変換回路部の入力インピーダンスは、前記変換回路部の出力インピーダンスよりも高いことを特徴とする受電装置により、受電コイル及び整合回路のインピーダンスを高め、通電電流値を削減することで解決する。

なお、前記負荷部が整流回路部と二次電池を有し、前記負荷部へ送電された電力が前記整流回路部を介して前記二次電池へ送電される構成では、特に二次電池の充電時に負荷部のインピーダンスが低くなるため、本発明による受電コイルの過電流に対する保護が必要となる。

また、前記負荷部は電力制御部をさらに有し、前記負荷部へ送電された電力が前記電力制御部を介して前記整流回路部へ送電される構成とすることで、二次電池への送電電力が電力制御部により制御できると共に、整流回路部へ送電される電力を電力制御部により制御することになるため、電力制御による電力の時間変動を整流回路部により吸収させることができる。

また、上記受電装置と、送電装置を備え、前記受電装置における前記電力制御部が前記送電装置に対する負荷変調通信機能を有すること非接触電力伝送システムとすることで、新たに負荷変調回路を設けずとも、電力制御部だけで負荷変調通信と電力制御を行うことができる。

また、前記受電装置から前記送電装置に負荷変調通信を行うことにより、前記送電装置から送電される電力を制御することで、送電装置からの電力そのものも制御できるようになるため、望ましい。

本発明は、インピーダンス変換回路部によって主に受電コイルのインピーダンスを高く設定することにより、受電コイル及びその周辺への過電流通電を防ぐことができる。

本発明における実施形態１の送電装置、及び受電装置を示す回路ブロック図である。本発明における実施形態１の受電装置の回路図であり、図１における受電装置の具体例を図２（ａ）〜図２（ｄ）に示している。本発明における実施形態２の送電装置、及び受電装置を示す回路ブロック図である。本発明における実施形態２の受電装置の回路図であり、図３における受電装置の具体例を示している。

（実施形態１）
図１は、本発明における実施形態１の送電装置、及び受電装置を示す回路ブロック図である。

送電装置１は、交流電力を発生させる発振回路部１１、交流電力を増幅させる増幅回路部１２、インピーダンス整合を行う整合回路部１３、電磁誘導により電力の送電を行う送電コイル部１４を備えている。

受電装置２は、電磁誘導により電力の受電を行う受電コイル部２１、インピーダンス整合を行う整合回路部２２、インピーダンス変換を行う変換回路部２３、負荷部２４を備えている。さらに負荷部２４は、交流電力より直流電力への変換を行う整流回路部２４１、送電電力を受けて充電する二次電池２４２により構成されている。

送電装置１から受電装置２への電磁誘導による非接触電力伝送は、以下の経路で行われる。

まず発振回路部１１の交流電力を増幅回路部１２で増幅し、整合回路部１３によりインピーダンス整合を行うことで電力の反射損失を防ぎ、送電コイル部１４と受電コイル部２１の間の磁気結合により送電装置１より受電装置２へ電力伝送を行う。

次に、整合回路部２２によりインピーダンス整合を行うことで電力の反射損失を防ぎ、変換回路部２３によりインピーダンス変換を行い、整流回路部２４１により直流電力に変換し、直流電力を二次電池２４２に供給する。

なお、整合回路部１３、２２に高周波ノイズを除去するためのローパスフィルタ、直流信号を除去するためのハイパスフィルタ、両方を兼ねたバンドパスフィルタを設けても良い。

なお、二次電池２４２を直流電力で駆動する電子回路や電子機器等に置き換えてもよい。

また、送電コイル部１４及び受電コイル部２１は、例えば導体線を渦巻状またはらせん状に巻いたループコイルや、導体箔を渦巻状またはらせん状にパターン形成したプリント基板等により構成してもよい。

また、電力伝送時は送電コイル部１４と受電コイル部２１が互いに平行となるよう対向させることで確実に磁気結合をさせることができる。

ここで、インピーダンス整合を行う上では、整合回路部２２があるために、変換回路部２３は一見すると不要であるように思える。

しかし、受電装置２における変換回路部２３により、変換回路部２３の入力インピーダンスを、変換回路部２３の出力インピーダンスより高くするよう設定し、受電コイル部２１及び整合回路部２２の電圧振幅を耐圧の許容範囲を限度として高めることで電流振幅が抑えられるため、受電コイル部２１のジュール熱等により過熱劣化することを防ぐことができ、整合回路部２２への過電流通電を防ぐことにも繋がる。

なお、変換回路部２３としては、例えばトランスのようなインピーダンスの大きさを変換することを目的とする回路を用いることができる。また、整合回路部２２としては、主にインダクタとコンデンサを組み合わせた整合回路が用いることができ、主にインピーダンスのリアクタンス成分を整合させることを目的とする回路が用いられる。

図２は、本発明における実施形態１の受電装置の回路図であり、図１における受電装置の具体例を図２（ａ）〜図２（ｄ）に示している。

図２（ａ）における受電装置は、整合回路部２２が並列コンデンサと直列コンデンサによって構成され、変換回路部２３がトランスによって構成され、整流回路部２４１がダイオードブリッジによる全波整流回路と平滑コンデンサによって構成されている。なお、変換回路部２３はトランスであるため、巻き数比により任意のインピーダンス比を設定することができる。

図２（ｂ）における受電装置は、変換回路部２３を、整合回路部２２からの入力に対してインダクタＬ_１、Ｌ_２を直列接続したものを接続し、そのうちのインダクタＬ_２の両端部を整流回路部２４１に接続する構成としている点が図２（ａ）と異なる。図２（ｂ）の場合、変換回路部２３のインピーダンス比は（Ｌ_１＋Ｌ_２）^２：Ｌ_２ ^２となる。

図２（ｃ）における受電装置は、変換回路部２３を直列インダクタと並列コンデンサにより構成している点が図２（ａ）と異なる。インダクタとコンデンサの定数により任意のインピーダンス比を設定することができる。なお、図２（ｄ）における受電装置のように、変換回路部２３を直列コンデンサと並列インダクタにより構成してもよい。

すなわち本発明は、受電コイル部２１と、インピーダンスを整合させる整合回路部２２と、インピーダンス変換を行う変換回路部２３と、負荷部２５を備え、受電コイル部２１は、整合回路部２２、及び変換回路部２３を介して負荷部２４へ接続され、変換回路部２３の入力インピーダンスは、変換回路部２３の出力インピーダンスよりも高い受電装置２の実施形態を取り得る。

さらに本発明は、負荷部２４は整流回路部２４１と二次電池２４２を有し、負荷部２４へ送電された電力は、整流回路部２４１を介して二次電池２４２へ送電される受電装置２の実施形態を取り得る。

（実施形態２）
図３は、本発明における実施形態２の送電装置、及び受電装置を示す回路ブロック図である。

図３は、実施形態１の図１における変換回路部２３と整流回路部２４１の間に、電力制御部２４３を追加した構成となっている。

電力制御部２４３は、変換回路部２３から整流回路部２４１へ送電される電力を半導体スイッチ等の開閉により制御することができる。ここで、電力制御部２４３は変換回路部２３の出力側に接続されているためインピーダンスが低くなり、電力制御部２４３へ加わる電圧振幅が小さいために、内部を構成する半導体スイッチ等として耐圧が低いものも用いることができるようになる。

図４は、本発明における実施形態２の受電装置の回路図であり、図３における受電装置の具体例を示している。

図４は、実施形態１の図２（ｃ）における整流回路部２４１と二次電池２４２の間に、電力制御部２４３を追加した構成となっている。

ここで、電力制御部２４３のスイッチＳＷ_１を常時閉、スイッチＳＷ_２を常時開としておく。

二次電池２４２への供給電力が過大であったり、整流回路部２４１の回路部品が過熱したりするような場合は、電力制御部２４３のスイッチＳＷ_１を開くことで送電を制限し、電力制御部２４３より先に接続される整流回路部２４１や二次電池２４２などを保護することができる。

なお、電力制御部２４３のスイッチＳＷ_１、ＳＷ_２は半導体スイッチとすることが望ましく、この場合には周期的にスイッチＳＷ_１を開閉することで変調された電力が、整流回路部２４１における平滑コンデンサで平滑化され、二次電池２４２に安定した直流電力を送電することができる。

また、電力制御部２４３のスイッチＳＷ_１を開閉することで送電装置への負荷変調通信を行うこともできる。

二次電池２４２が二次電池で、既に満充電である場合には負荷変調の信号レベルが低下してしまうが、スイッチＳＷ_２を閉じて抵抗Ｒを擬似負荷とすることで負荷変調の信号レベルを確保することができる。

また、電力制御部２４３のスイッチＳＷ_１の開閉により送電装置への負荷変調通信を行うことで送電コイルからの送電電力を制御し、受電装置内部の過熱や過電圧を防いでもよい。

すなわち本発明は、実施形態１に加え、受電装置２と、送電装置１を備え、受電装置２における電力制御部２４３が送電装置１に対して負荷変調通信機能を有する非接触電力伝送システムの実施形態を取り得る。

さらに本発明は、受電装置２から送電装置１に負荷変調通信を行うことにより、送電装置１から送電される電力を制御する非接触電力伝送システムの実施形態を取り得る。

本発明の範囲は上記実施形態に限らず、上記実施形態を組み合わせた構成を含み、さらに技術常識により拡張された範囲までをも含むものである。

（実施例１）
実施例１は、受電装置として図２（ｃ）の構成を用いた。

二次電池２４２は電圧値が５Ｖ、電流値が１Ａで充電される二次電池であり、入力インピーダンスは５Ωとなる。

整流回路部２４１は二次電池２４２と等価なインピーダンスとみなせるため、入力インピーダンスは同様に５Ωとなる。

ここで、送電装置からの変動磁場の周波数を１３．５６ＭＨｚとする。

これにより変換回路部２３は、コンデンサを１０１５ｐＦ、２つのインダクタを５１ｎＨとすることで、出力インピーダンスに対する入力インピーダンスを４倍に変換するよう設定する。

一方、受電コイル部２１の抵抗値は１Ω、インダクタンスは５８６ｎＨであるため、整合回路部２２の並列コンデンサを１８２ｐＦ、２つの直列コンデンサを１０５ｐＦとすることで、整合回路部２２の出力インピーダンスを変換回路部２３の入力インピーダンスである２０Ωと整合させる。

ここで、送電装置と受電装置による非接触電力伝送システム全体の電力伝送効率が５０％で、各回路での電力損失が無視できるほど小さい場合、図示されない送電コイル部と受電コイル部２１の結合係数は０．５となる。

送電コイル部から１０Ｗの電力を送電した場合には、受電コイル部２１は５Ｗの電力を受電し、変換回路部２３までのインピーダンスが２０Ωであることから、電力＝インピーダンス×電流値^２より、５Ｗ＝２０Ω×０．５Ａ×０．５Ａの関係が成立し、受電コイル部２１に流れる電流値は０．５Ａとなる。

受電コイル部２１の抵抗値が１Ωであることより、受電コイル部２１で発生するジュール熱は、１Ω×０．５Ａ×０．５Ａ＝０．２５Ｗに通電時間を掛けたものとなる。

（比較例１）
実施例１における変換回路部２３を設けず、整合回路部２２と整流回路部２４１を直接接続する。

また、整合回路部２２で、受電コイル部２１と整流回路部２４１の入力インピーダンス５Ωと整合するようコンデンサの定数を設定する。

他は実施例１と同様の条件とすると、受電コイル部２１は５Ｗの電力を受電し、整流回路部２４１までのインピーダンスが５Ωであることから、電力＝インピーダンス×電流値^２より、５Ｗ＝５Ω×１Ａ×１Ａの関係が成立し、受電コイル部２１に流れる電流値は１Ａとなる。

受電コイル部２１の抵抗値が１Ωであることより、受電コイル部２１で発生するジュール熱は、１Ω×１Ａ×１Ａ＝１Ｗに通電時間を掛けたものとなる。

（結果比較）
受電コイル部２１で発生するジュール熱は、実施例１の方が比較例１よりも小さく、４分の１にまで改善されている。

１送電装置
２受電装置
１１発振回路部
１２増幅回路部
１３、２２整合回路部
１４送電コイル部
２１受電コイル部
２３変換回路部
２４負荷部
２４１整流回路部
２４２二次電池
２４３電力制御部
Ｌ_１、Ｌ_２インダクタ
ＳＷ_１、ＳＷ_２スイッチ
Ｒ抵抗

Claims

受電コイルと、
インピーダンスを整合させる整合回路部と、
インピーダンス変換を行う変換回路部と、
負荷部を備え、
前記負荷部は電力制御部と整流回路部と二次電池を有し、
前記電力制御部は前記変換回路部と前記整流回路部を接続する常時閉のスイッチを備え、
前記変換回路部の入力インピーダンスは前記変換回路部の出力インピーダンスよりも高く、
前記受電コイルにより受電した電力は、前記整合回路部、及び前記変換回路部を介して前記負荷部へ送電され、
前記負荷部へ送電された電力は、前記電力制御部から前記整流回路部を介して前記二次電池へ送電され、
前記二次電池へ送電される電力が過大な場合、または前記整流回路部が過熱した場合に、前記スイッチを開いて送電を制限する受電装置と、
送電装置を備え、
前記受電装置における前記電力制御部が前記送電装置に対する負荷変調通信機能を有することを特徴とする非接触電力伝送システム。
前記受電装置から前記送電装置に負荷変調通信を行うことにより、
前記送電装置から送電される電力を制御することを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送システム。