JP6379660B2 - ワイヤレス受電装置、及び、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、及び、ワイヤレス電力伝送装置に関するものである。

近年、電気自動車や携帯機器において、電源ケーブルを用いることなく外部から電力をワイヤレスで供給するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。

このようなワイヤレス電力伝送技術において、大電力を伝送する際に異常が生じると、負荷などの回路素子の破損に繋がる虞があることから、ワイヤレス電力伝送技術を適用した装置全体の安全性を向上させる要求が高まってきている。

このような要求に対して、例えば特許文献１では、トランスの一次コイル（給電コイル）側に設けられ、充電用電源を周波数変換して充電用交流電源を生成し該一次コイルに印加するインバータ回路と、トランスの二次コイル（受電コイル）側に設けられ、二次コイルに発生する誘導電圧を整流し充電のための直流電源を生成する整流回路と、二次コイルの端子間に接続され、二次コイルに発生する該誘導電圧を昇圧して整流回路に印加する昇圧回路と、直流電源の電圧をチェックし、予め定めた基準電圧値を検知した時、駆動信号を出力する電圧チェック回路と、駆動信号に応答して二次コイルの端子間を短絡させる短絡回路とを備えた充電装置が提案されている。

上述した構成を備える充電装置では、整流回路が４個のダイオードよりなるブリッジ回路にて構成されており、整流回路の２個のダイオードには、それぞれトランジスタが並列に接続されている。より具体的には、トランジスタのコレクタ端子はダイオードのカソードに接続され、トランジスタのエミッタ端子はダイオードのアノードに接続されている。これら２個のトランジスタは同時にオン・オフ制御されるようになっており、直流電源電圧が上昇し基準電圧に達したとき、２個のトランジスタがオンされ、二次コイルの端子間を短絡させて、コンデンサの昇圧機能を無能にし、直流電源電圧の基準電圧以上の上昇を防止している。

特開平１１−２７８７０号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、２個のトランジスタを同時にオンさせて二次コイル間を短絡しているため、回路素子や配線の数が増えることにより、回路が複雑化するとともに、機器が大型化するという問題があった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、過電圧や過電流などの異常時における回路素子の破損を防止しつつ、装置の小型化および簡素化が可能な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を目的とする。

本発明に係るワイヤレス受電装置は、ワイヤレスにて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全波整流して負荷に出力する整流部と、整流部の出力電圧値又は出力電流値を検出する受電側検出手段と、受電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、整流部を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、受電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、整流部を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段を備えている。そのため、整流部の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部の他方の電流経路を流れる電流が小さくなる。つまり、整流部から負荷に出力される電流も小さくなる。また、整流部から負荷に出力される電流が小さくなることに伴い、負荷に印加される電圧も小さくなる。したがって、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷などの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。その結果、過電圧や過電流などの異常時における回路素子の破損を防止することができる。また、異常時に動作する保護回路が整流部の２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段から構成されているため、装置の小型化および簡素化が可能となる。

好ましくは、整流部は、４つのダイオードがブリッジ接続されたブリッジ型回路と、該ブリッジ型回路に並列に接続された平滑コンデンサから構成され、切替手段は、ブリッジ型回路の４つのダイオードのうち、１つのダイオードに並列接続されたスイッチング素子から構成されるとよい。この場合、変圧器としての利用効率を向上させることができる。

好ましくは、受電コイルに直列または並列に接続されるコンデンサを備えないという構成としてもよい。この場合、より一層装置の小型化および簡素化が可能となる。

本発明に係るワイヤレス電力伝送装置は、上記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、ワイヤレス給電装置は、給電コイルと、入力直流電力を交流電力に変換して給電コイルに供給する電力変換回路と、電力変換回路の出力電流値を検出する給電側検出手段と、ワイヤレス給電装置の給電動作を制御する給電動作制御手段と、を有し、給電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、給電動作制御手段によりワイヤレス給電装置の給電動作を停止と作動を繰り返すように間欠動作させることを特徴とする。

本発明によれば、給電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、給電動作制御手段によりワイヤレス給電装置の給電動作を停止と作動を繰り返すように間欠動作させている。そのため、受電側に異常が発生し、給電側に過電流が流れたとしても、電力変換回路などの回路素子の破損を防ぐことができる。加えて本発明に係るワイヤレス電力伝送装置では、ワイヤレス給電装置自体が過電流の発生を検出し、給電動作の制限を行っているため、受電側の異常が発生してから給電動作の制限を開始するまでの時間的ロスを極力少なくすることができる。

好ましくは、ワイヤレス受電装置の受電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったときに異常状態を示す信号をワイヤレス給電装置に送信する送信手段を、さらに備え、給電動作制御手段は、給電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回り、且つ、送信手段から異常状態を示す信号を受信したとき、ワイヤレス給電装置の給電動作を停止させるようにしてもよい。この場合、給電側の異常だけでなく、受電側の異常を検知してから、ワイヤレス給電装置の給電動作を停止させるようにしているため、給電側の異常が受電側の異常に影響されたものではないときに給電動作を停止させてしまうことによる不具合を防止することができる。その結果、ワイヤレス電力伝送装置としての信頼性を高めることができる。

本発明によれば、過電圧や過電流などの異常時における回路素子の破損を防止しつつ、装置の小型化および簡素化が可能な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ができる。

本発明の第１実施形態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。 本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の保護動作を示すフローチャートである。 図１における整流部が全波整流回路として機能する場合の電流経路を示す回路構成図の一部拡大図である。 図１における整流部の一方の電流経路を短絡させた場合の電流経路を示す回路構成図の一部拡大図である。 整流部が全波整流回路として機能する場合の出力電圧波形及び出力電流波形を示す波形図である。 整流部の一方の電流経路を短絡させた場合の出力電圧波形及び出力電流波形を示す波形図である。 本発明の第１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。 本発明の第２実施形態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。 本発明の第３実施形態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。

（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の構成について説明する。図１は、本発明の第１実施形態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。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１は、図１に示されるように、ワイヤレス給電装置１００と、ワイヤレス受電装置２００と、を有する。

ワイヤレス給電装置１００は、電源１１０と、電力変換回路１２０と、給電部１３０と、を有する。電源１１０は、直流電力を電力変換回路１２０に供給する。電源１１０としては、直流電力を出力するものであれば特に制限されず、商用交流電源を整流・平滑した直流電源、二次電池、太陽光発電した直流電源、あるいはスイッチングコンバータ等のスイッチング電源装置などが挙げられる。

電力変換回路１２０は、電力変換部１２１と、スイッチ駆動部１２２を有する。この電力変換回路１２０は、電源１１０から供給される入力直流電力を交流電力に変換する機能を有している。より具体的には、電力変換部１２１としては、複数のスイッチング素子がブリッジ接続されたスイッチング回路から構成される。本実施形態では、４つのスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を用いたフルブリッジ型回路となっている。スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの素子が挙げられる。各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４は、スイッチ駆動部１２２から供給されるＳＷ制御信号ＳＧ１〜ＳＧ４に応じて各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４をオン・オフ制御することにより、電源１１０から供給される入力直流電力を交流電力に変換する。

給電部１３０は、給電コイルＬ１と、給電側共振コンデンサＣ１０，Ｃ１１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などが挙げられる。この給電コイルＬ１は、給電側共振コンデンサＣ１０，Ｃ１１とともに給電側ＬＣ共振回路を形成している。なお、本実施形態では、給電コイルＬ１に給電側共振コンデンサＣ１０，Ｃ１１がそれぞれ直列に接続される構成となっているがこれに限られない。例えば、給電コイルＬ１に給電側共振コンデンサＣ１０のみが直列に接続されていてもよく、給電コイルＬ１に給電側共振コンデンサＣ１０のみが並列に接続されていてもよく、あるいは、給電コイルＬ１に給電側共振コンデンサＣ１０が直列に接続され、給電側共振コンデンサＣ１１が並列に接続される構成としてもよい。また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、給電部１３０は地中または地面近傍に配設される。

ワイヤレス受電装置２００は、受電部２１０と、整流部２２０と、受電側検出手段２３０と、切替手段２４０と、制御部２５０と、を有する。ここで、ワイヤレス給電装置１００の給電部１３０とワイヤレス受電装置２００の受電部２１０は、磁気的に結合しており、電力変換回路１２０から給電部１３０に供給された交流電力が近接電磁界効果によって受電部２１０に誘導起電力が励起される。すなわち、ワイヤレス受電装置２００は、ワイヤレス給電装置１００からの電力をワイヤレスにて受電することとなる。

受電部２１０は、受電コイルＬ２を有する。受電コイルＬ２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。受電コイルＬ２としては、平面コイルやソレノイドコイルなどが挙げられる。本実施形態では、受電コイルＬ２は、直列または並列に接続されるコンデンサを備えていない。言い換えれば、受電コイルＬ２は、受電側の回路要素とは共振回路を形成しない構成となっている。つまり、受電側が実質的に非共振の状態となっている。これにより、本実施形態では、受電コイルＬ２と共振回路を形成する回路要素を不要化しているため、装置の小型化および簡素化が可能となる。ここで、「実質的に非共振」とは、受電コイルＬ２がなんらかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、受電部２１０は車両下部に搭載される。

整流部２２０は、受電コイルＬ２が受電した電力を全波整流して負荷ＲＬに出力する。本実施形態においては、整流部２２０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Ｃ３０から構成されている。これにより、整流部２２０を流れる交流電流の電流経路は、受電コイルＬ２からダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、ダイオードＤ２を経由して帰還する一方の電流経路と、受電コイルＬ２からダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、ダイオードＤ４を経由して帰還する他方の電流経路と、の２つの電流経路を含むこととなる。すなわち、整流部２２０は、受電コイルＬ２から供給される交流電力を全波整流する機能を備えている。平滑コンデンサＣ３０は、整流された電圧を平滑して直流電圧を生成する。このように、整流部２２０は、４つのダイオード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Ｃ３０から構成されているため、変圧器としての利用効率を向上させることができる。

受電側検出手段２３０は、出力電圧検出手段２３１と、出力電流検出手段２３２を有する。出力電圧検出手段２３１は、整流部２２０の出力電圧値を検出する。この出力電圧検出手段２３１により検出される電圧値を読み取ることで、電力が整流部２２０から負荷ＲＬへ供給されていることを確認できる。また、出力電圧検出手段２３１は、予め設定された基準電圧値と検出した電圧値を比較して、検出した電圧値が基準電圧値を上回ると、出力信号ＳＧ５を後述する制御部２５０に送信する。このような出力電圧検出手段２３１としては、分圧回路や電圧検出トランスなどが挙げられる。出力電流検出手段２３２は、整流部２２０の出力電流値を検出する。この出力電流検出手段２３２は、予め設定された基準電流値と検出した電流値を比較して、検出した電流値が基準電流値を上回ると、出力信号ＳＧ６を後述する制御部２５０に送信する。このような出力電流検出手段２３２としては、電流センサやカレントトランスなどが挙げられる。

切替手段２４０は、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる機能を有している。本実施形態においては、切替手段２４０は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子ＳＷ５から構成され、整流部２２０のダイオードＤ４に並列に接続されている。より具体的には、ダイオードＤ４のカソードにスイッチング素子ＳＷ５のコレクタ端子が接続され、ダイオードＤ４のアノードにスイッチング素子ＳＷ５のエミッタ端子が接続されている。つまり、切替手段２４０は、整流部２２０のブリッジ型回路の４つのダイオードＤ１〜Ｄ４のうち、１つのダイオードＤ４のみに並列に接続されている。スイッチング素子ＳＷ５は、後述する制御部２５０からの駆動信号ＳＧ７を受けて、オン・オフする機能を備えている。つまり、スイッチング素子ＳＷ５がオンされると、ダイオードＤ４が短絡され、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路は、受電コイルＬ２からスイッチング素子ＳＷ５、ダイオードＤ２を経由して帰還する経路となる。言い換えれば、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路が短絡される。これにより、整流部２２０は、一時的に全波整流回路として機能しなくなる。逆に、スイッチング素子ＳＷ５がオフされると、整流部２２０は４つのダイオードＤ１〜Ｄ４がフルブリッジ接続されたフルブリッジ型の全波整流回路として機能することとなる。なお、本実施形態では、スイッチング素子ＳＷ５がダイオードＤ４に並列に接続される構成となっているがこれに限らず、スイッチング素子ＳＷ５がダイオードＤ２に並列に接続される構成としてもよい。

制御部２５０は、切替手段２４０の動作を制御している。具体的には、出力電圧検出手段２３１からの出力信号ＳＧ５を受信すると、スイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５をオンするように制御する。また、出力電流検出手段２３２からの出力信号ＳＧ６を受信すると、スイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５をオンするように制御する。

次に、図２のフローチャートを参照して、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の異常時における保護動作について詳細に説明する。図２は、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置の保護動作を示すフローチャートである。

まず、ワイヤレス電力伝送装置Ｓ１において、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００にワイヤレスにて電力の伝送が開始されると、受電側検出手段２３０によって、整流部２２０の出力電圧値及び出力電流値が常時検出される。具体的には、出力電圧検出手段２３１により整流部２２０の出力電圧値が検出され、出力電流検出手段２３２により整流部２２０の出力電流値が検出される。（ステップＳ１０１）

続いて、出力電圧検出手段２３１は、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値を予め設定された基準値と比較する。また、出力電流検出手段２３２は、ステップＳ１０１で検出した出力電流値を予め設定された基準値と比較する。ここで、出力電圧検出手段２３１の予め設定されている基準値は、負荷などの回路素子の破損を防止できる出力電圧値の許容範囲内で任意に設定される。同様に、出力電流検出手段２３２の予め設定されている基準値は、負荷などの回路素子の破損を防止できる出力電流値の許容範囲内で任意に設定される。（ステップＳ１０２）

ステップＳ１０１で検出した出力電圧値を予め設定された基準値と比較した結果、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値が予め設定された基準値を上回る場合（ステップＳ１０２Ｙ）、出力電圧検出手段２３１から出力信号ＳＧ５が制御部２５０に送信される。（ステップＳ１０３）同様に、ステップＳ１０１で検出した出力電流値を予め設定された基準値と比較した結果、ステップＳ１０１で検出した出力電流値が予め設定された基準値を上回る場合（ステップＳ１０２Ｙ）、出力電流検出手段２３２から出力信号ＳＧ６が制御部２５０に送信される。（ステップＳ１０３）

一方、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値を予め設定された基準値と比較した結果、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値が予め設定された基準値を下回る場合（ステップＳ１０２Ｎ）、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１からステップＳ１０２の動作が繰り返し実行される。同様に、ステップＳ１０１で検出した出力電流値を予め設定された基準値と比較した結果、ステップＳ１０１で検出した出力電流値が予め設定された基準値を下回る場合（ステップＳ１０２Ｎ）、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１からステップＳ１０２の動作が繰り返し実行される。ここで、ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値が予め設定された基準値を上回る場合及びステップＳ１０１で検出した出力電流値が予め設定された基準値を上回る場合のいずれかが実行されるとステップＳ１０３移行の処理が実行され、逆に、ステップＳ１０１で検出した出力電圧値が予め設定された基準値を下回り、ステップＳ１０１で検出した出力電流値が予め設定された基準値を下回る場合は、ステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１０１からステップＳ１０２の動作が繰り返し実行される。

続いて、制御部２５０は、出力信号ＳＧ５あるいは出力信号ＳＧ６を受信すると、スイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５がオンするように制御される。（ステップＳ１０４）

続いて、スイッチング素子ＳＷ５がオンに制御されると、ダイオードＤ４は短絡される。（ステップＳ１０５）

そして、ダイオードＤ４が短絡されると、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路は、受電コイルＬ２からスイッチング素子ＳＷ５、ダイオードＤ２を経由して帰還する経路となる。これにより、整流部２２０の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部２２０の他方の電流経路を流れる電流が小さくなり、整流部２２０の出力電圧値及び出力電流値が減少し、保護動作が終了する。（ステップＳ１０６）この保護動作により、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷などの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。

ここで、図３及び図４を参照して、整流部２２０の出力電圧波形及び出力電流波形について詳細に説明する。図３ａは、図１における整流部が全波整流回路として機能する場合の電流経路を示す回路構成図の一部拡大図である。図３ｂは、図１における整流部の一方の電流経路を短絡させた場合の電流経路を示す回路構成図の一部拡大図である。図４ａは、整流部が全波整流回路として機能する場合の出力電圧波形及び出力電流波形を示す波形図である。図４ｂは、整流部の一方の電流経路を短絡させた場合の出力電圧波形及び出力電流波形を示す波形図である。

まず、整流部２２０が全波整流回路として機能する場合について説明する。図３ａに示されるように、整流部２２０を流れる交流電流の電流経路のうち、一方の電流経路はスイッチング素子ＳＷ５がオフのため、受電コイルＬ２からダイオードＤ３、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、ダイオードＤ２を経由して帰還する電流経路となり、他方の電流経路は受電コイルＬ２からダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、ダイオードＤ４を経由して帰還する電流経路となる。このとき、整流部２２０の出力電圧波形Ｖｏ及び出力電流波形Ｉｏは、図４ａに示されるように、交流の正弦波の正の半周期に加えて負の半周期が出力される波形となる。

続いて、整流部２２０の一方の電流経路を短絡させた場合について説明する。図３ｂに示されるように、整流部２２０を流れる交流電流の電流経路のうち、一方の電流経路は、スイッチング素子ＳＷ５がオンのため、受電コイルＬ２からスイッチング素子ＳＷ５、ダイオードＤ２を経由して帰還する電流経路となり、他方の電流経路は、受電コイルＬ２からダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、ダイオードＤ４を経由して帰還する電流経路となる。このとき、整流部２２０の出力電圧波形Ｖｏ及び出力電流波形Ｉｏは、図４ｂに示されるように、交流の正弦波の正の半周期のみが出力されるとともに、振幅が小さく、デューティ比が低い波形となる。

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、受電側検出手段２３０が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段２４０を備えている。そのため、整流部２２０の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部２２０の他方の電流経路を流れる電流が小さくなる。つまり、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流も小さくなる。また、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流が小さくなることに伴い、負荷ＲＬに印加される電圧も小さくなる。したがって、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷ＲＬなどの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。その結果、過電圧や過電流などの異常時における回路素子の破損を防止することができる。また、異常時に動作する保護回路が整流部２２０の２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段２４０から構成されているため、装置の小型化および簡素化が可能となる。

（第１実施形態の変形例）
次に、図５を参照して、本発明の第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の変形例であるワイヤレス電力伝送装置Ｓ２の構成について説明する。図５は、本発明の第１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。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ２は、図５に示されるように、ワイヤレス給電装置１００と、ワイヤレス受電装置２００と、を有する。ワイヤレス給電装置１００は、電源１１０と、電力変換回路１２０と、給電部１３０と、を有し、ワイヤレス受電装置２００は、受電部２１０と、整流部３２０と、受電側検出手段２３０と、切替手段３４０と、制御部３５０と、を有する。電源１１０、電力変換回路１２０、給電部１３０、受電部２１０、受電側検出手段２３０の構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。本変形例では、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の４つのダイオードＤ１〜Ｄ４がフルブリッジ接続されたブリッジ型回路の整流部２２０に代えて、センタータップ型の整流部３２０を備えている点、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の切替手段２４０及び制御部２５０に代えて切替手段３４０及び制御部３５０を備えている点において、第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

整流部３２０は、２つのダイオードＤ５，Ｄ６から構成されるセンタータップ整流回路３２１と、このセンタータップ整流回路３２１に並列に接続された平滑コンデンサＣ３０から構成されている。より具体的には、ダイオードＤ５は、受電コイルＬ２の一端と直列に接続されており、ダイオードＤ６は、受電コイルＬ２の他端と直列に接続されている。これにより、整流部３２０を流れる交流電流の電流経路は、受電コイルＬ２の一端からダイオードＤ５、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、受電コイルＬ２の中点に帰還する一方の電流経路と、受電コイルＬ２の他端からダイオードＤ６、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、受電コイルＬ２の中点に帰還する他方の電流経路と、の２つの電流経路を含むこととなる。

切替手段３４０は、整流部３２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる機能を有している。本変形例においては、切替手段３４０は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのスイッチング素子ＳＷ６から構成され、整流部３２０のダイオードＤ６に並列に接続されている。より具体的には、ダイオードＤ６のカソードにスイッチング素子ＳＷ６のコレクタ端子が接続され、ダイオードＤ６のアノードにスイッチング素子ＳＷ６のエミッタ端子が接続されている。つまり、切替手段３４０は、整流部３２０のセンタータップ整流回路３２１の２つのダイオードＤ５，Ｄ６のうち、１つのダイオードＤ６のみに並列に接続されている。スイッチング素子ＳＷ６は、後述する制御部３５０からの駆動信号ＳＧ７を受けて、オン・オフする機能を備えている。なお、本変形例では、スイッチング素子ＳＷ６がダイオードＤ６に並列に接続される構成となっているがこれに限らず、スイッチング素子ＳＷ６がダイオードＤ５に並列に接続される構成としてもよい。

制御部３５０は、切替手段３４０の動作を制御している。具体的には、出力電圧検出手段２３１からの出力信号ＳＧ５を受信すると、整流部３２０の一方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ６をオンするように制御し、整流部３２０の他方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６への駆動信号ＳＧ７の供給を停止させて、スイッチング素子ＳＷ６をオフするように制御する。また、出力電流検出手段２３２からの出力信号ＳＧ６を受信すると、整流部３２０の一方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ６をオンするように制御し、整流部３２０の他方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６への駆動信号ＳＧ７の供給を停止させて、スイッチング素子ＳＷ６をオフするように制御する。

本変形例においても、出力電圧検出手段２３１が検出した出力電圧値が予め設定された基準電圧値を上回る場合、あるいは、出力電流検出手段２３２が検出した出力電流値が予め設定された基準電流値を上回る場合、制御部３５０に出力信号ＳＧ５、あるいは、出力信号ＳＧ６が送信され、整流部３２０の一方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ６をオンするように制御し、整流部３２０の他方の電流経路に電流が流れるときは、スイッチング素子ＳＷ６への駆動信号ＳＧ７の供給を停止させて、スイッチング素子ＳＷ６をオフするように制御する。このとき、整流部３２０を流れる交流電流の電流経路のうち、一方の電流経路は、ダイオードＤ６が短絡したことにより、平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬを経由せず、受電コイルＬ２の一端からダイオードＤ５、スイッチング素子ＳＷ６を経由して受電コイルＬ２の他端に帰還する電流経路となり、他方の電流経路は、受電コイルＬ２の他端からダイオードＤ６を介して平滑コンデンサＣ３０及び負荷ＲＬ、受電コイルＬ２の中点に帰還する電流経路となる。すなわち、整流部３２０の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部３２０の他方の電流経路を流れる電流が小さくなる。つまり、整流部３２０から負荷ＲＬに出力される電流も小さくなる。また、整流部３２０から負荷ＲＬに出力される電流が小さくなることに伴い、負荷ＲＬに印加される電圧も小さくなる。したがって、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷ＲＬなどの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。

（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３の構成について説明する。図６は、本発明の第２実施形態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。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ３は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様に、ワイヤレス給電装置１００と、ワイヤレス受電装置２００と、を有する。ワイヤレス給電装置１００は、図６に示されるように、電源１１０と、電力変換回路１２０と、給電部１３０と、給電側検出手段４４０と、受信手段４５０と、給電動作制御手段４６０と、を有する。電源１１０、電力変換回路１２０、給電部１３０の構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。但し、第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３は、ワイヤレス給電装置１００が、給電側検出手段４４０と、受信手段４５０と、給電動作制御手段４６０と、を備えている点において、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

給電電流検出手段４４０は、電力変換回路１２０の出力電流値を検出する。この給電側検出手段４４０は、予め設定された基準電流値と検出した出力電流値を比較して、検出した出力電流値が基準電流値を上回ると、出力信号ＳＧ８を後述する給電動作制御手段４６０に送信する。このような給電側検出手段４４０としては、電流センサやカレントトランスなどが挙げられる。

受信手段４５０は、後述する送信手段５６０からの出力信号ＳＧ１１を受信すると、出力信号ＳＧ９を後述する給電動作制御手段４６０に送信する。受信手段４５０としては、赤外線通信や無線通信などが挙げられる。

給電動作制御手段４６０は、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を制御する機能を有している。具体的には、給電動作制御手段４６０は、給電側検出手段４４０から出力信号ＳＧ８を受信すると、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止と動作を繰り返すように間欠動作させる。このとき、給電動作制御手段４６０は、出力信号ＳＧ１２を送信し、スイッチ駆動部１２２がスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を一時的にオフするように制御する。その結果、ワイヤレス給電装置１００の給電動作が完全に停止することなく、停止と動作を繰り返す間欠動作が行われる。

ところで、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、ワイヤレス給電装置１００自体が過電流の発生を検出し、給電動作の制限を行っている。このとき、ワイヤレス給電装置１００によって検知できる異常は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれ等に起因する異常やワイヤレス給電装置１００あるいはワイヤレス受電装置２００を構成する回路素子の破損や断線に起因する異常などが挙げられる。このうち、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれ等に起因する異常は、給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれが解消するとワイヤレス給電装置１００としては正常状態に戻る可能性がある。ところが、ワイヤレス給電装置１００に異常が発生したことを検知して即刻ワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させてしまうと、上述の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれが解消し、正常状態に戻ったとしても、再度ワイヤレス給電装置１００の給電動作を再開させるためには多大な時間を要してしまう不具合がある。これに対して、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、ワイヤレス給電装置１００自体が異常を検知したとしても、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を完全に停止させることなく、停止と動作を繰り返す間欠動作を行っているため、ワイヤレス給電装置１００に発生した異常が上述の給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれに起因した異常であって、その後給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置ずれが解消し、正常状態に戻ったときに短時間でワイヤレス給電装置１００の給電動作を再開することができる。ここで、ワイヤレス給電装置１００の間欠動作は、あくまでワイヤレス給電装置１００の給電動作を完全に停止させないようにするための動作であって、このとき通常の給電動作における電力伝送は行われていない。

また、給電動作制御手段４６０は、給電側検出手段４４０から出力信号ＳＧ８を受信し、且つ、受信手段４５０から出力信号ＳＧ９を受信すると、ワイヤレス給電装置１００を停止させる。このとき、給電動作制御手段４６０は、出力信号ＳＧ１２を送信し、スイッチ駆動部１２２がスイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４を完全にオフするように制御する。その結果、ワイヤレス給電装置１００の給電動作が完全に停止する。なお、本実施形態では、給電動作制御手段４６０とスイッチ駆動部１２２を別々の構成としているが一体化しても構わない。

ところで、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、給電側の異常に加え、受電側の異常を検知すると、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させている。ここで、ワイヤレス受電装置２００によって検知できる異常は、ワイヤレス受電装置２００の回路素子の破損や断線などであって、これらの異常は、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を即刻停止させ、修繕して正常状態に戻す必要がある。すなわち、上述したようにワイヤレス給電装置１００によって検知される異常は、電力伝送条件（給電コイルＬ１と受電コイルＬ２の位置関係）などによって正常状態に戻る可能性があるが、ワイヤレス受電装置２００によって検知される異常は、そのままワイヤレス電力伝送装置Ｓ３を起動させた状態では正常状態に戻すことが困難である。本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、給電側の異常に加え、受電側の異常を検知したときにワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させているため、給電側の異常が受電側の異常に影響されたものではないときにワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させてしまうことによる不具合を防止しつつ、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を本当に停止させる必要がある場合は、速やかにワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させることができる。

ワイヤレス受電装置２００は、図６に示されるように、受電部２１０と、整流部２２０と、受電側検出手段２３０と、切替手段２４０と、制御部２５０と、送信手段５６０と、有する。受電部２１０、整流部２２０、受電側検出手段２３０、切替手段２４０は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。但し、第２実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３は、ワイヤレス受電装置２００が、送信手段５６０を備えている点及び制御部２５０の動作の点において、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

制御部２５０は、切替手段２４０の動作を制御している。具体的には、出力電圧検出手段２３１からの出力信号ＳＧ５を受信すると、スイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５をオンするように制御する。また、出力電流検出手段２３２からの出力信号ＳＧ６を受信すると、スイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５をオンするように制御する。本実施形態では、上述の動作に加えて、出力電圧検出手段２３１からの出力信号ＳＧ５を受信すると、後述する送信手段５６０に出力信号ＳＧ１０を送信する。同様に、出力電流検出手段２３２からの出力信号ＳＧ６を受信すると、後述する送信手段５６０に出力信号ＳＧ１０を送信する。

送信手段５６０は、制御部２５０から出力信号ＳＧ１０を受信すると、ワイヤレス受電装置２００の異常状態を示す出力信号ＳＧ１１を受信手段４５０に送信する。送信手段５６０としては、赤外線通信や無線通信などが挙げられる。なお、本実施形態では、制御部２５０と送信手段５６０を別々の構成としているが一体化しても構わない。例えば、制御部２５０に送信手段５６０の機能が付加された場合、制御部２５０は、出力電圧検出手段２３１からの出力信号ＳＧ５、あるいは、出力電流検出手段２３２からの出力信号ＳＧ６を受信すると、直接ワイヤレス受電装置２００の異常状態を示す出力信号ＳＧ１１を受信手段４５０に送信することとなる。

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Ｓ３は、給電側検出手段４４０が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、給電動作制御手段４６０によりワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止と作動を繰り返すように間欠動作させている。そのため、受電側に異常が発生し、給電側に過電流が流れたとしても、電力変換回路１２０などの回路素子の破損を防ぐことができる。加えて本発明に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、ワイヤレス給電装置１００自体が過電流の発生を検出し、給電動作の制限を行っているため、受電側の異常が発生してから給電動作の制限を開始するまでの時間的ロスを極力少なくすることができる。

また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ３では、ワイヤレス受電装置２００の受電側検出手段２３０が検出した値が予め設定した基準値を上回ったときに異常状態を示す信号ＳＧ１０をワイヤレス給電装置１００に送信する送信手段５６０を、さらに備え、給電動作制御手段４６０は、給電側検出手段４４０が検出した値が予め設定した基準値を上回り、且つ、送信手段５６０から異常状態を示す信号ＳＧ１１を受信したとき、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させている。そのため、給電側の異常だけでなく、受電側の異常を検知してから、ワイヤレス給電装置１００の給電動作を停止させるようにしているため、給電側の異常が受電側の異常に影響されたものではないときに給電動作を停止させてしまうことによる不具合を防止することができる。その結果、ワイヤレス電力伝送装置Ｓ３としての信頼性を高めることができる。

（第３実施形態）
次に、図７を参照して、本発明の第３実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ４の構成について説明する。図７は、本発明の第３実施形態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。

ワイヤレス電力伝送装置Ｓ４は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様に、ワイヤレス給電装置１００と、ワイヤレス受電装置２００と、を有する。ワイヤレス給電装置１００は、図７に示されるように、電源１１０と、電力変換回路１２０と、給電部１３０と、を有し、ワイヤレス受電装置２００は、受電部３１０と、整流部２２０と、受電側検出手段２３０と、切替手段２４０と、制御部２５０と、を有する。電源１１０、電力変換回路１２０、給電部１３０、整流部２２０、受電側検出手段２３０、切替手段２４０、制御部２５０の構成は、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１と同様である。本実施形態では、第１実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ１の受電部２１０に代えて、受電部３１０を備えている点において、第１実施形態と相違する。以下、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。

受電部３１０は、受電コイルＬ２と、受電側共振コンデンサＣ２０を有する。受電コイルＬ２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。受電コイルＬ２としては、平面コイルやソレノイドコイルなどが挙げられる。本実施形態では、受電側共振コンデンサＣ２０は、受電コイルＬ２に並列に接続されている。これにより、受電コイルＬ２は、受電側共振コンデンサＣ２０とともに受電側ＬＣ共振回路を形成している。また、本実施形態に係るワイヤレス電力伝送装置Ｓ４を電気自動車などの車両への給電設備に用いた場合、受電部３１０は車両下部に搭載される。

本実施形態においても、出力電圧検出手段２３１が検出した出力電圧値が予め設定された基準電圧値を上回る場合、あるいは、出力電流検出手段２３２が検出した出力電流値が予め設定された基準電流値を上回る場合、制御部２５０に出力信号ＳＧ５、あるいは、出力信号ＳＧ６が送信され、制御部２５０はスイッチング素子ＳＷ５に駆動信号ＳＧ７を供給し、スイッチング素子ＳＷ５がオンするように制御される。これにより、整流部２２０を流れる交流電流の電流経路のうち、一方の電流経路は、ダイオードＤ４が短絡され、受電コイルＬ２からスイッチング素子ＳＷ５、ダイオードＤ２を経由して帰還する経路となる。このとき、受電側共振コンデンサＣ２０は、受電コイルＬ２に並列に接続されているため、整流部２２０を流れる電流経路に直接影響を及ぼさないことから、整流部２２０の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部２２０の他方の電流経路を流れる電流が小さくなる。つまり、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流も小さくなる。また、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流が小さくなることに伴い、負荷ＲＬに印加される電圧も小さくなる。したがって、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷ＲＬなどの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。

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Ｓ４では、受電側検出手段２３０が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、整流部２２０を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段２４０を備えている。そのため、整流部２２０の一方の電流経路を流れる電流が大きくなるとともに、整流部２２０の他方の電流経路を流れる電流が小さくなる。つまり、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流も小さくなる。また、整流部２２０から負荷ＲＬに出力される電流が小さくなることに伴い、負荷ＲＬに印加される電圧も小さくなる。したがって、過電圧または過電流などの異常が生じた際に、負荷ＲＬなどの回路素子に過大電圧又は過大電流が流れることが抑制される。その結果、過電圧や過電流などの異常時における回路素子の破損を防止することができる。また、異常時に動作する保護回路が整流部２２０の２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段２４０から構成されているため、装置の小型化および簡素化が可能となる。

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、様々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。

例えば、第１実施形態においては、給電コイルＬ１が給電側コンデンサＣ１０，Ｃ１１とともにＬＣ共振回路を構成しているが、これに限られない。第１実施形態では、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応できる。

１００…ワイヤレス給電装置、１１０…電源、１２０…電力変換回路、１２１…電力変換部、１２２…スイッチ駆動部、１３０…給電部、２００…ワイヤレス受電装置、２１０，３１０…受電部、２２０，３２０…整流部、２３０…受電側検出手段、２３１…出力電圧検出手段、２３２…出力電流検出手段、２４０，３４０…切替手段、２５０，３５０…制御部、３２１…センタータップ整流回路、４４０…給電側検出手段、４５０…受信手段、４６０…給電動作制御手段、５６０…送信手段、Ｃ１０，Ｃ１１…給電側共振コンデンサ、Ｃ２０…受電側共振コンデンサ、Ｃ３０…平滑コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ６…ダイオード、Ｌ１…給電コイル、Ｌ２…受電コイル、ＲＬ…負荷、Ｓ１〜Ｓ４…ワイヤレス電力伝送装置、ＳＧ１〜ＳＧ４…ＳＷ制御信号、ＳＧ５，ＳＧ６，ＳＧ８〜ＳＧ１２…出力信号、ＳＧ７…駆動信号、ＳＷ１〜ＳＷ６…スイッチング素子。

Claims (1)

1. ワイヤレスにて電力を受電するワイヤレス受電装置と、ワイヤレス給電装置を備え、
   前記ワイヤレス受電装置は、
   受電コイルと、
   前記受電コイルが受電した電力を全波整流して負荷に出力する整流部と、
   前記整流部の出力電圧値又は出力電流値を検出する受電側検出手段と、
   前記受電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、前記整流部を流れる２つの電流経路のうち、一方の電流経路を短絡させる切替手段と、
   前記受電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったときに異常状態を示す信号を前記ワイヤレス給電装置に送信する送信手段と、を備え、
   前記ワイヤレス給電装置は、
   給電コイルと、
   入力直流電力を交流電力に変換して前記給電コイルに供給する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の出力電流値を検出する給電側検出手段と、
   前記ワイヤレス給電装置の給電動作を制御する給電動作制御手段と、を有し、
   前記整流部は、４つのダイオードがブリッジ接続されたブリッジ型回路と、該ブリッジ型回路に並列に接続された平滑コンデンサから構成され、
   前記切替手段は、前記ブリッジ型回路の４つのダイオードのうち、１つのダイオードに並列接続されたスイッチング素子から構成され、
   前記給電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回ったとき、前記給電動作制御手段により前記ワイヤレス給電装置の給電動作を停止と作動を繰り返すように間欠動作させ、
   前記給電動作制御手段は、前記給電側検出手段が検出した値が予め設定した基準値を上回り、且つ、前記送信手段から異常状態を示す信号を受信したとき、前記ワイヤレス給電装置の給電動作を停止させることを特徴とするワイヤレス電力伝送装置。

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