JP6579146B2 - ワイヤレス送電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送システム - Google Patents

ワイヤレス送電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送システム Download PDF

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Description

本発明は、ワイヤレス受電装置との間で電力や信号をワイヤレスで伝送するワイヤレス送電装置およびこれを用いたワイヤレス電力伝送システムに関する。
電源ケーブルや電源コードを用いずに電力を伝送するワイヤレス電力伝送技術が注目されている。ワイヤレス電力伝送技術は、送電側から受電側にワイヤレスで電力を供給できることから、電車、電気自動車等の輸送機器、家電製品、電子機器、無線通信機器、玩具、産業機器といった様々な製品への応用が期待されている。
このワイヤレス電力伝送技術を移動体への電力供給に適用する場合、移動体に搭載される受電側の受電コイルが電力を受電可能な所定の領域内（受電エリア）に存在するか確認したのち送電を開始する必要がある。
このような要求に対して、例えば、特許文献１には、送電部および通信手段を有する送電側装置と、受電部および通信手段を有する受電側装置とを備え、受電側装置に接続されたバッテリの充電が開始される前に、微小電力を受電部へ送電し、受電部が微小電力を受電したことを条件に、バッテリに係る状態を、充電不可能な第１状態から充電可能な第２状態へ切り換え、バッテリが第２状態であることを示す情報が受信された場合、送電部は、微小電力に代えて、該微小電力よりも大きな電力を受電部へ送電することが提案されている。
特開２０１６−１６７９７２号公報
しかしながら、特許文献１に開示される技術では、微小電力を送電するために複雑な制御が必要となり、位置検出の精度を確保するのが難しいという課題がある。また、複雑な制御の実現には、高価な半導体回路が必要となる。さらに、特許文献１に開示される技術では、通信手段が双方向の無線通信を確立していることから、高価な通信構成が必要となるといった課題もある。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、安価で高品質な位置検出機能を備えたワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明によるワイヤレス送電装置は、ワイヤレス受電装置にワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス送電装置であって、入力直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、前記昇圧コンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記交流電圧が供給されることにより交流磁界を発生させる送電コイルと、前記ワイヤレス受電装置からの送電指示信号を受信する受信回路と、前記送電指示信号に従って前記昇圧コンバータの昇圧レベルを制御する昇圧制御回路と、前記昇圧コンバータの動作の有無を検出する動作検出回路と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、を備え、前記動作検出回路は、送電開始から一定時間経過後に前記昇圧コンバータが動作を行っていないことを検出したとき停止信号を出力し、前記インバータ制御回路は、前記動作検出回路からの前記停止信号を入力したとき前記インバータの動作を停止することを特徴とする。
本発明によれば、送電開始時にインバータを含むワイヤレス送電装置全体が動作を開始し、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータが昇圧動作を行っていることが検出されたとき制御回路がインバータの動作を維持するが、昇圧コンバータが昇圧動作を行っていないことが検出されたとき制御回路がインバータの動作を停止するので、例えば受電コイルが受電エリア内に存在しない場合等、送電を継続すべきでない状況を検出することができ、装置の安全性および信頼性を高めることができる。したがって、安価な構成で複雑な制御を伴うことなく、受電コイルの位置検出が可能なワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
本発明において、前記動作検出回路は、前記送電開始から前記一定時間経過後に前記昇圧コンバータの動作を検出できなかったとき、異常動作カウント値をインクリメントすると共に、前記異常動作カウント値が所定値に達するまで送電の再開を繰り返し、前記異常動作カウント値が前記所定値に達したときに送電の再開を行わないことが好ましい。これにより、昇圧コンバータが昇圧動作を行っていない状態を誤って検出することなく短時間のうちにインバータを停止することができる。
また、本発明によるワイヤレス電力伝送システムは、上記特徴を有する本発明によるワイヤレス送電装置と、前記ワイヤレス送電装置から電力をワイヤレスにて受電するワイヤレス受電装置と、を備え、前記ワイヤレス受電装置は、前記交流磁界を介して交流電力を取り込む受電コイルと、前記受電コイルが受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記整流回路の出力特性値と目標値との比較結果に基づき前記送電指示信号を生成する出力検出回路と、前記送電指示信号を送信する送信回路と、前記整流回路の出力特性値が閾値以上のときに、前記受信回路への前記送電指示信号の送信を許可するスタートアップ回路と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、受電コイルが受電エリアに存在しない場合等、送電を開始しても整流回路の出力特性値が閾値に達しない場合には、スタートアップ回路が送電指示信号の送信を許可せず、ワイヤレス送電装置側の受信回路は送電指示信号を受信しないため、昇圧コンバータによる昇圧動作は行われない。これに伴い、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータが昇圧動作を行っていないことが検出されるので、制御回路はインバータの動作を停止することができ、装置の安全性および信頼性を高めることができる。したがって、安価な構成で複雑な制御を伴うことなく、受電コイルの位置検出が可能なワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
本発明において、前記スタートアップ回路は、前記整流回路の出力特性値と前記閾値を比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果に基づき前記送信回路から前記送電指示信号を出力するか否かを制御するスイッチ素子と、前記比較回路に入力される前記整流回路の出力特性値と前記閾値の少なくとも一方を変更可能な入力設定部を含むことが好ましい。これにより、例えば出力特性値に対して閾値を相対的に大きくすれば送電開始条件が厳しくなることから受電エリアを狭く設定することができ、逆に出力特性値に対して閾値を相対的に小さくすれば送電開始条件が緩くなることから受電エリアを広く設定することができ、送電開始条件の感度調整を容易に行うことができる。
本発明において、前記出力検出回路は、前記出力特性値が前記目標値よりも小さいときに前記送電指示信号のレベルを大きくし、前記出力特性値が前記目標値に対して大きいときに前記送電指示信号のレベルを小さくすることが好ましい。これによれば、受電コイルが受電エリア内に存在しない場合において、インバータの動作を確実に停止することができる。したがって、安全性を確保することができると共に無駄な電力消費を防止することができる。
本発明において、前記送電指示信号は光信号であり、前記出力検出回路は、前記出力特性値と前記目標値との差に基づき前記光信号の強度を制御することが好ましい。これによれば、送電を指示する場合に光信号を出力し、送電を指示しない場合に光信号を出力しないので、例えば、ワイヤレス送電装置とワイヤレス受電装置との間に異物が存在することによって電力伝送と共に光信号が遮られる場合に、誤動作することなく送電動作をいち早く停止することができる。
本発明によれば、安価で高品質な位置検出機能を備えたワイヤレス送電装置およびワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示すブロック図である。 図２は、昇圧コンバータの構成の一例を示す回路図である。 図３（ａ）および（ｂ）は、インバータの構成の一例を示す回路図である。 図４は、ワイヤレス受電装置側の構成の一例を示す回路図である。 図５は、動作検出回路１６の動作を説明するための電圧波形図である。 図６は、ワイヤレス電力伝送システム１Ａの送電側および受電側の動作を説明するための電圧・電流波形図であって、（ａ）は正常時の動作、（ｂ）は異常時の動作について説明するためのものである。 図７は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示すブロック図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示すブロック図である。
図１に示すように、ワイヤレス電力伝送システム１Ａは、ワイヤレス送電装置１０とワイヤレス受電装置２０とを組み合わせてなり、ワイヤレス送電装置１０からワイヤレス受電装置２０に電力をワイヤレス伝送するものである。
ワイヤレス送電装置１０は、入力直流電圧Ｖinを昇圧する昇圧コンバータ１１と、昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1を交流電圧ｖaに変換するインバータ１２と、交流電圧ｖaが供給されることにより交流磁界を発生させる送電コイル１３と、ワイヤレス受電装置２０から送られてくる送電指示信号を受信する受信回路１４と、送電指示信号に従って昇圧コンバータ１１の昇圧レベルを制御する昇圧制御回路１５と、昇圧コンバータ１１の動作の有無を検出する動作検出回路１６と、インバータ１２の動作を制御するインバータ制御回路１７とを備えている。
一方、ワイヤレス受電装置２０は、交流磁界を介して交流電力を取り込む受電コイル２１と、受電コイル２１が受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路２２と、整流回路２２の出力電圧（出力特性値）と目標電圧（目標値）との比較結果に基づき送電指示信号を生成する出力検出回路２３と、送電指示信号を送信する送信回路２４と、整流回路２２の出力電圧（出力特性値）が閾値以上のときに受信回路１４への送電指示信号の送信を許可するスタートアップ回路２５とを備えている。
ワイヤレス送電装置１０の入力直流電圧Ｖinは、昇圧コンバータ１１によって昇圧され、インバータ１２によって交流電圧に変換された後、送電コイル１３に供給される。ワイヤレス受電装置２０の受電コイル２１が受電エリア内に存在している場合、送電コイル１３から発生した交流磁界は受電コイル２１と鎖交し、受電コイル２１に交流電圧が誘起される。交流電圧は整流回路２２によって直流電圧に変換され、負荷３０に供給される。
整流回路２２から負荷３０に供給される直流電圧レベルは一定（例えば２４Ｖ）であることが望ましい。しかし、整流回路２２の実際の出力電圧は、送電コイル１３と受電コイル２１との磁気結合状態によって変動し、特に送電コイル１３に対する受電コイル２１の位置の影響が大きい。そこで本実施形態では、整流回路２２の出力レベルに基づいて出力検出回路２３が送電指示信号を生成し、ワイヤレス受電装置２０の送信回路２４から送電指示信号を送ってワイヤレス送電装置１０側に整流回路２２の出力レベルを通知する。
送信回路２４は送電指示信号を光信号に変換して出力し、受信回路１４は光信号を電気信号に変換する。そのため、送信回路２４はフォトダイオード等の発光素子を含み、受信回路１４はフォトトランジスタ等の受光素子を含む。送電指示信号はアナログ信号であり、その大きさは整流回路２２の出力レベルと目標レベルの大小関係に応じて変化する。昇圧コンバータ１１の昇圧レベルは昇圧制御回路１５によって制御されるが、昇圧制御回路１５が送電指示信号に基づいて昇圧レベルを調整し、送電指示信号が大きいほど昇圧レベルを大きくすることにより、整流回路２２の出力電圧レベルを一定に維持することができる。
図２は、昇圧コンバータ１１の構成の一例を示す回路図である。
図２に示すように、昇圧コンバータ１１は、一対の平衡ラインに並列挿入されたスイッチ素子Ｑ1と、スイッチ素子Ｑ1の前段に直列挿入されたチョークコイルＬ1と、スイッチ素子Ｑ1の後段に直列挿入されたダイオードＤ1と、平衡ラインの入力端子間に設けられた入力コンデンサＣ1と、平衡ラインの出力端子間に設けられた出力コンデンサＣ2とを備えており、スイッチ素子Ｑ1のオン・オフ動作は昇圧制御回路１５によって制御される。昇圧制御回路１５は、送電指示信号に基づいて、スイッチ素子Ｑ1をオン・オフする周期を制御することにより、後段のインバータ１２に供給する直流電圧レベルを制御する。スイッチ素子Ｑ1のスイッチング周期におけるオン時間が長ければ昇圧レベルは高くなり、スイッチング周期におけるオン時間が短ければ昇圧レベルは低くなる。さらに、昇圧制御回路１５に送電指示信号が供給されなければスイッチ素子Ｑ1のスイッチング制御は行われず、スイッチ素子Ｑ1はオフ状態に維持され、昇圧コンバータ１１の出力電圧は入力電圧とほぼ同じレベルになる。
図３（ａ）および（ｂ）は、インバータ１２の構成の一例を示す回路図である。
図３（ａ）に示すように、インバータ１２は４つのスイッチ素子Ｑa，Ｑb，Ｑc，Ｑdを用いたフルブリッジ方式のインバータであってもよい。また図３（ｂ）に示すように、インバータ１２は２つのスイッチ素子Ｑa，Ｑbを用いたハーフブリッジ方式のインバータであってもよい。いずれの構成においても、各スイッチ素子はインバータ制御回路１７によって制御される。またインバータ制御回路１７は、動作検出回路１６から例えばロウアクティブの停止信号を入力したとき、すべてのスイッチ素子をオフにしてインバータ１２の動作を停止させる。
図４は、ワイヤレス受電装置２０側の構成の一例を示す回路図である。
図４に示すように、ワイヤレス受電装置２０は、受電コイル２１、整流回路２２、出力検出回路２３、送信回路２４およびスタートアップ回路２５を備えている。出力検出回路２３およびスタートアップ回路２５の入力端子は共に整流回路２２の出力端子に接続されており、整流回路２２の出力電圧Ｖo2は、出力検出回路２３およびスタートアップ回路２５にそれぞれ入力される。
出力検出回路２３は、分圧抵抗Ｒ11，Ｒ12からなる分圧回路と、分圧回路によって分圧された整流回路２２の出力電圧Ｖo2と基準電圧Ｖrefとの電位差を増幅するオペアンプ２６とを備えており、オペアンプ２６の出力端子は送信回路２４に接続されている。整流回路２２の出力電圧Ｖo2は、分圧抵抗Ｒ11，Ｒ12によって分圧された後、出力検出回路２３のオペアンプ２６の非反転入力端子に入力される。またオペアンプ２６の反転入力端子には基準電圧Ｖrefが供給されている。
またスタートアップ回路２５は、分圧抵抗Ｒ21，Ｒ22からなる分圧回路と、分圧回路によって分圧された整流回路２２の出力電圧Ｖo2を閾値電圧Ｖthと比較するコンパレータ２７（比較回路）と、スイッチ素子Ｑ2とを備えている。スイッチ素子Ｑ2はＰＭＯＳトランジスタであり、そのソースは整流回路２２の出力端子に接続されており、ドレインは送信回路２４に接続されている。またスイッチ素子Ｑ2のゲート（制御電極）は抵抗Ｒ23を介してコンパレータ２７の出力端子に接続されている。また、整流回路２２の出力電圧Ｖo2は、分圧抵抗Ｒ21，Ｒ22によって分圧された後、スタートアップ回路２５のコンパレータ２７の反転入力端子に入力される。またコンパレータ２７の非反転入力端子には閾値電圧Ｖthが供給されている。
送信回路２４は信号出力ダイオードＰＤs（フォトダイオード）、直列抵抗Ｒ31および並列抵抗Ｒ32を有し、送電指示信号は信号出力ダイオードＰＤsから光信号として出力される。信号出力ダイオードＰＤsのカソード側は出力検出回路２３の出力端子に接続されており、信号出力ダイオードＰＤsのアノード側はスタートアップ回路２５の出力端子に接続されている。
整流回路２２の出力電圧Ｖo2が小さければオペアンプ２６の出力電圧は小さくなるため、信号出力ダイオードＰＤsの両端の電位差が大きくなり、信号出力ダイオードＰＤsには大きな電流が流れ、送電指示信号は大きくなる。整流回路２２の出力電圧Ｖo2が大きければオペアンプ２６の出力電圧大きくなるので、信号出力ダイオードＰＤsの両端の電位差が小さくなり、信号出力ダイオードＰＤsには小さな電流が流れ、送電指示信号は小さくなる。このようにして、出力検出回路２３は送電指示信号のレベルの大きさを制御する。
スタートアップ回路２５の入力に入力される整流回路２２の出力電圧Ｖo2の分圧値（＝Ｖo2・Ｒ21／（Ｒ21＋Ｒ22））が所定の閾値電圧Ｖthよりも大きければ、コンパレータ２７の出力電圧はＨレベルからＬレベルに変化し、これによりスイッチ素子Ｑ2がオンになり、信号出力ダイオードＰＤsには整流回路２２の出力電圧Ｖo2とオペアンプ２６の出力電圧との差が順方向バイアスとして印加される。したがって、信号出力ダイオードＰＤsには整流回路２２の出力電圧Ｖo2に反比例した電流が流れて、信号出力ダイオードＰＤsから送電指示信号（光信号）が出力される。
しかし、スタートアップ回路２５に入力される整流回路２２の出力電圧Ｖo2の分圧値が閾値電圧Ｖthよりも小さければ、コンパレータ２７の出力電圧はＨレベルを維持し、これによりスイッチ素子Ｑ2もオフのままであるため、信号出力ダイオードＰＤsに電流は流れず、送電指示信号は出力されない。このようにして、スタートアップ回路２５は送電指示信号を出力するか否かを制御する。
本実施形態において、分圧抵抗Ｒ22は可変抵抗であり、コンパレータ２７の反転入力端子の入力電圧レベルを調整可能である。
例えば、分圧抵抗Ｒ22が比較的小さな値に設定されているときには、コンパレータ２７の反転入力端子には整流回路２２の出力電圧レベルに近い比較的大きな入力電圧が印加され、整流回路２２の出力電圧Ｖo2が小さくてもコンパレータ２７の出力電圧は容易にＬレベルになるので、送電指示信号を出力させることができる。すなわち、送電コイル１３との磁気結合状態が悪い位置に受電コイル２１が存在しているため整流回路２２の出力電圧Ｖo2が小さい場合でも、送電開始を許可することができる。このことは、送電開始条件を緩くして受電エリアを広げることができることを意味する。
一方、分圧抵抗Ｒ22が比較的大きな値に設定されているときには、コンパレータ２７の反転入力端子には整流回路２２の出力電圧レベルよりも十分に小さな入力電圧が印加され、整流回路２２の出力電圧Ｖo2が大きくなければコンパレータ２７の出力電圧をＬレベルに変化させることができないので、送電指示信号を出力させることができない。すなわち、送電コイル１３との磁気結合状態が悪い送電コイル１３から少し離れた位置に受電コイル２１が存在しているため整流回路２２の出力電圧Ｖo2が小さい場合には、送電開始を許可することができない。このことは、送電開始条件を厳しくして受電エリアを狭めることができることを意味する。
このように、本実施形態においては、分圧抵抗Ｒ22を可変抵抗から構成し、入力設定部としての可変抵抗を調整することにより、送電開始可能な受電エリアを広げたり狭めたりすることができる。なお、分圧抵抗Ｒ22を可変抵抗から構成せず、閾値電圧（非反転入力レベル）を変更可能に構成しても構わない。すなわち、入力設定部は、コンパレータ２７の非反転入力端子に入力される閾値レベル（非反転入力レベル）および反転入力端子に入力される整流回路２２からの出力レベル（反転入力レベル）の少なくとも一方を変更可能であればよい。
図１に示すように、動作検出回路１６は、昇圧判定部１６ａと、一定時間（例えば数秒）をカウントするタイマー部１６ｂと、ＮＡＮＤゲート１６ｃとを含み、送電開始から一定時間経過後の昇圧コンバータ１１の動作の有無を検出する。昇圧判定部１６ａは、昇圧コンバータ１１が昇圧動作を行っているときにはＬレベル、昇圧動作を行っていないときにはＨレベルの電圧を出力する。また、昇圧コンバータ１１の昇圧動作を検出する方法としては、昇圧コンバータ１１の入力電圧と出力電圧を比較する方法を挙げることができるが、この方法に限定されるものではなく、種々の方法を採用することができる。また、複数の方法を組み合わせて判定してもよい。
タイマー部１６ｂはワンショットタイマーであり、その出力電圧（タイマー電圧）は、イネーブル信号ＶENの入力をトリガーにして例えばＨレベルからＬレベルに変化し、一定時間経過後にＨレベルに戻る。
ＮＡＮＤゲート１６ｃは、昇圧判定部１６ａの出力電圧とタイマー部１６ｂの出力電圧の両方がＨレベルのときにＬレベルを出力し、それ以外はＨレベルを出力する。したがって、動作検出回路１６の出力電圧は、送電開始直後にＨレベルとなり、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータ１１が昇圧動作を行っている場合にはＨレベルを維持し、昇圧動作を行っていなければＬレベルに変化する。
イネーブル信号ＶENは送電指示信号と別の信号であり、ワイヤレス送電装置１０全体をアクティブにして送電開始を指示する信号である。このようなイネーブル信号ＶENは、例えば、ワイヤレス送電装置１０が電源投入などによってアクティブになったタイミングで出力されてもよく、ワイヤレス受電装置２０が搭載された移動体の存在を監視カメラが検知したタイミングで出力されるようにしてもよく、ワイヤレス受電装置２０側からの指示に従って出力されてもよく、その出力方法は特に限定されない。
図５は、動作検出回路１６の動作を説明するための電圧波形図である。
図５に示すように、タイミングｔ1においてイネーブル信号ＶENがＬレベルからＨレベルに変化すると、タイマー電圧Ｖt（タイマー信号）がＨレベルからＬレベルに変化した後、一定時間（タイマー時間）の経過後にＨレベルに戻る。タイマー電圧ＶtがＬレベルを維持するタイミングｔ1からｔ2までの期間中は、ＮＡＮＤゲート１６ｃの出力電圧ＶstpはＨレベルとなり、インバータ制御回路１７はインバータ１２の動作を許可する。
タイマー電圧ＶtがＨレベルに戻るタイミングｔ2において、昇圧判定部１６ａが昇圧コンバータ１１の動作を検出しなければ、昇圧判定部１６ａの出力電圧ＶdはＨレベルのままであるため、ＮＡＮＤゲート１６ｃの出力電圧ＶstpはＨレベルからＬレベルに変化し、インバータ制御回路１７はインバータ１２の動作を停止させる。すなわち、動作検出回路１６は、インバータ制御回路１７に対して停止信号（Ｌレベル）を出力する。
次に、タイミングｔ3においてイネーブル信号ＶENがＨレベルになった後、タイマー部１６ｂがカウントする一定時間（タイマー時間）を経過する前のタイミングｔ4においてイネーブル信号ＶENがＬレベルになると、タイマー部１６ｂのタイマー動作はリセットされ、タイマー電圧Ｖtは強制的にＨレベルに戻される。これにより、タイマー電圧Ｖtと昇圧判定部１６ａの出力電圧Ｖdの両方がＨレベルとなるので、インバータ制御回路１７は、送電開始から短時間のうちにインバータ１２の動作を停止させる。
次に、タイミングｔ5においてイネーブル信号ＶENがＨレベルになった後、タイマー部１６ｂがカウントする一定時間を経過する前のタイミングｔ6において昇圧判定部１６ａが昇圧コンバータ１１の動作を検出すると、昇圧判定部１６ａの出力電圧ＶdがＨレベルからＬレベルに変化する。その後、タイマー電圧ＶtがＨレベルに戻るタイミングｔ7において、昇圧判定部１６ａの出力電圧ＶdはＬレベルであるため、ＮＡＮＤゲート１６ｃの出力電圧ＶstpはＨレベルを維持し、インバータ制御回路１７はインバータ１２の動作を維持する。すなわち、動作検出回路１６は、インバータ制御回路１７に対して停止信号（Ｌレベル）を出力しない。
このように、動作検出回路１６は、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータ１１の動作を検出できなかった場合には、インバータ制御回路１７の動作を停止するための停止信号を出力するので、送電側から受電側に無駄な電力を供給し続けることを早期に停止することができ、また安全性を高めることができる。
次に、ワイヤレス電力伝送システム１Ａの全体的な動作について説明する。
図６（ａ）および（ｂ）は、ワイヤレス電力伝送システム１Ａの送電側および受電側の動作を説明するための電圧・電流波形図であって、特に（ａ）は正常時の動作、（ｂ）は異常時の動作について説明するためのものである。
図６（ａ）に示すように、昇圧コンバータ１１に所定の直流電圧Ｖinが入力されると、まだ昇圧動作を開始していない段階では、昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1は入力電圧Ｖinとほぼ同じレベルである。昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1はインバータ１２で交流電圧に変換されて送電コイル１３に供給され、これにより送電側から受電側に電力が供給される。
受電コイル２１が受電エリア内に存在する場合、ワイヤレス送電装置１０が送電を開始すると、送電コイル１３から発生した交流磁界が受電コイル２１を介してワイヤレス受電装置２０に取り込まれる。これにより、ワイヤレス受電装置２０の整流回路２２の出力電圧Ｖo2が短時間のうちに増加して所定の基準電圧以上となり、これにより出力検出回路２３が動作を開始し、送電指示信号を送信可能な状態となる。また出力電圧Ｖo2が増加して所定の閾値以上になると、スタートアップ回路２５の動作により送電指示信号の送信が許可され、送信回路２４に電流Ｉrxが流れるので、信号出力ダイオードＰＤsから光信号が出力される。すなわち、送信回路２４は送電指示信号をワイヤレス送電装置１０側に送信する。
ワイヤレス送電装置１０の受信回路１４は、光信号を光電変換して得られる送電指示信号を昇圧制御回路１５に出力する。昇圧制御回路１５は送電指示信号に基づいて昇圧コンバータ１１を制御し、昇圧コンバータ１１は送電指示信号の大きさに比例した昇圧レベルで昇圧された出力電圧Ｖo1を供給する。
整流回路２２の出力電圧Ｖo2がまだ低いときにはオペアンプ２６の入力電位差も小さいのでオペアンプ２６の出力電圧は小さく、これにより信号出力ダイオードＰＤsの順方向バイアスが大きくなるため、信号出力ダイオードＰＤsに流れる電流Ｉrxは大きくなり、信号出力ダイオードＰＤsの光強度も大きくなる。信号出力ダイオードＰＤsの光強度が大きくなると、送電側の受信回路１４で受信する送電指示信号も大きくなるので、昇圧コンバータ１１の昇圧レベルも大きくなり、昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1は上昇する。
昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1の上昇に伴って受電側の整流回路２２の出力電圧Ｖo2が大きくなると、オペアンプ２６の入力電位差が大きくなるのでオペアンプ２６の出力電圧も大きくなり、これにより信号出力ダイオードＰＤsの順方向バイアスが小さくなり、信号出力ダイオードＰＤsに流れる電流Ｉrxが小さくなり、信号出力ダイオードＰＤsの光強度も小さくなる。これにより、昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1の上昇率は徐々に低下してある電圧レベルで一定となり、また信号出力ダイオードＰＤsの光強度も徐々に低下して十分に弱い光強度で一定となる。
一方、動作検出回路１６が昇圧コンバータ１１の昇圧動作を検出すると、動作検出回路１６の昇圧判定部１６ａの出力電圧ＶdがＨレベルからＬレベルとなる。送電開始から一定時間経過後にタイマー電圧ＶtがＨレベルになると、昇圧判定部１６ａの出力電圧Ｖd（Ｌレベル）とタイマー電圧Ｖt（Ｈレベル）がＮＡＮＤゲート１６ｃに入力されることにより、ＮＡＮＤゲート１６ｃの出力電圧Ｖstp（停止信号）はＨレベルに維持される。したがって、インバータ制御回路１７はインバータ１２の動作を停止させない。
次に、受電側が電力を受電できない異常時の動作について説明する。
図６（ｂ）に示すように、昇圧コンバータ１１に所定の直流電圧Ｖinが入力されると、まだ昇圧動作を開始していない段階では、昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1が入力電圧Ｖinとほぼ同じレベルである点は同様である。昇圧コンバータ１１の出力電圧Ｖo1はインバータ１２で交流電圧に変換されて送電コイル１３に供給され、これにより送電側から受電側に電力が供給される。
受電コイル２１が受電エリア外に存在する場合、ワイヤレス送電装置１０が送電を開始しても受電コイル２１が電力を受電できないため、整流回路２２の出力電圧Ｖo2が十分に増加せず、整流回路２２の出力電圧Ｖo2が所定の閾値に達しないため、出力検出回路２３が動作を開始してもスタートアップ回路２５が動作を開始せず、送電指示信号の送信が許可されない。そのため、送信回路２４には電流Ｉrxが流れず、フォトダイオードからは光信号が出力されない。すなわち、送信回路２４は送電指示信号をワイヤレス送電装置１０側に送信しない。
ワイヤレス送電装置１０の受信回路１４は、光信号を光電変換して得られる送電指示信号を受信しないため、昇圧制御回路１５は送電指示信号に基づいて昇圧コンバータ１１の昇圧レベルを制御せず、昇圧コンバータ１１の出力電圧レベルは変化しない。
このような状況では、動作検出回路１６が昇圧コンバータ１１の昇圧動作を検出することができないので、動作検出回路１６の昇圧判定部１６ａの出力電圧ＶdがＬレベルに変化することはなく、Ｈレベルが維持される。送電開始から一定時間経過後にタイマー電圧ＶtがＨレベルになると、昇圧判定部１６ａの出力電圧Ｖd（Ｈレベル）とタイマー電圧Ｖt（Ｈレベル）がＮＡＮＤゲート１６ｃに入力されることにより、ＮＡＮＤゲート１６ｃの出力電圧Ｖstp（停止信号）はＨレベルからＬレベルに変化する。これにより、インバータ制御回路１７はインバータ１２の動作を停止させる。
このように、本実施形態においては、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータ１１が昇圧動作を開始していればインバータ１２の動作を維持し、昇圧コンバータ１１が昇圧動作を開始していなければインバータ１２の動作を強制的に停止するので、簡単な回路構成により無駄な送電動作を防止して安全性を高めることができる。したがって、安価な構成で複雑な制御を伴うことなく、受電コイル２１の位置検出が可能なワイヤレス電力伝送システムを提供することができる。
図７は、本発明の第２の実施の形態によるワイヤレス電力伝送システムの構成を示すブロック図である。
図７に示すように、このワイヤレス電力伝送システム１Ｂの特徴は、送電開始から一定時間経過後に昇圧コンバータ１１の昇圧動作を検出できないときにはインバータ１２の動作を一度停止させるが、そのような異常動作が所定回数に達するまではインバータ１２の動作を再開し、異常動作が所定回数に達した場合にはインバータ１２の動作の再開を行わない点にある。
そのため、本実施形態による動作検出回路１６は、異常動作カウント値をカウントするカウンター部１６ｄをさらに有する。昇圧コンバータ１１の昇圧動作を検出できなかったときＮＡＮＤゲート１６ｃからは停止信号が出力されるが、この停止信号はカウンター部１６ｄにも入力される。このときカウンター部１６ｄは異常動作カウント値をインクリメントし、所定時間経過後にタイマー部１６ｂに起動信号を入力する。これによりタイマー部１６ｂは再起動されて送電が再開され、再起動から一定時間経過後に昇圧コンバータ１１が昇圧動作を行っていなければ、停止信号が再び発生する。
以上の動作を繰り返して異常動作カウント値が所定値（例えば数回）に達した場合には、カウンター部１６ｄはタイマー部１６ｂへの起動信号の供給を終了する。このように、異常動作カウント値が所定値（例えば数回）に達するまで送電を再開し、異常動作カウント値が所定値に達してもなお昇圧コンバータ１１が昇圧動作を行わない場合には、インバータ１２の停止状態が維持され、送電の再開は行われない。
異常動作時は、安全のためタイマー時間を短くしてインバータ１２をいち早く停止することが望ましいが、タイマー時間を短くすると昇圧コンバータ１１の正常／異常動作を誤検出する可能性が高くなる。しかし、本実施形態のように昇圧コンバータ１１の動作の有無の検出ステップを何回か繰り返し、何回も連続して異常動作を検出したときにインバータ１２の動作を完全に停止させる場合には、タイマー時間を短くしても昇圧コンバータ１１の動作の誤検出の確率を低減することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては整流回路２２の出力電圧が一定になるように昇圧コンバータ１１の昇圧レベルを制御しているが、整流回路２２の出力電流が一定になるように昇圧コンバータ１１の昇圧レベルを制御するものであってもよい。すなわち、出力検出回路２３は整流回路２２の出力特性値（出力電圧、出力電流または出力電力）と目標値との比較結果に基づき送電指示信号を生成するものであればよい。
また、上述したワイヤレス送電装置１０およびワイヤレス受電装置２０の各部の具体的な回路構成はあくまで一例であって、他の様々な回路構成を採用することができる。
１Ａ，１Ｂ ワイヤレス電力伝送システム
１０ ワイヤレス送電装置
１１ 昇圧コンバータ
１２ インバータ
１３ 送電コイル
１４ 受信回路
１５ 昇圧制御回路
１６ 動作検出回路
１６ａ 昇圧判定部
１６ｂ タイマー部
１６ｃ ＮＡＮＤゲート
１６ｄ カウンター部
１７ インバータ制御回路
２０ ワイヤレス受電装置
２１ 受電コイル
２２ 整流回路
２３ 出力検出回路
２４ 送信回路
２５ スタートアップ回路
２６ オペアンプ
２７ コンパレータ（比較回路）
３０ 負荷
Ｃ1 入力コンデンサ
Ｃ2 出力コンデンサ
Ｄ1 ダイオード
Ｉrx 電流
Ｌ1 チョークコイル
ＰＤs 信号出力ダイオード
Ｑ1，Ｑ2 スイッチ素子
Ｑa，Ｑb，Ｑc，Ｑd スイッチ素子
Ｒ11 分圧抵抗
Ｒ12 分圧抵抗
Ｒ21 分圧抵抗
Ｒ22 分圧抵抗（可変抵抗）
Ｒ23 抵抗
Ｒ31 直列抵抗
Ｒ32 並列抵抗
ｖa 交流電圧
Ｖd 出力電圧
ＶEN イネーブル信号
Ｖin 入力直流電圧
Ｖo1 昇圧コンバータの出力電圧
Ｖo2 整流回路の出力電圧
Ｖref 基準電圧
Ｖstp 動作検出回路の出力電圧
Ｖt タイマー電圧
Ｖth 閾値電圧

Claims (6)

  1. ワイヤレス受電装置にワイヤレスにて電力伝送するワイヤレス送電装置であって、
    入力直流電圧を昇圧する昇圧コンバータと、
    前記昇圧コンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、
    前記交流電圧が供給されることにより交流磁界を発生させる送電コイルと、
    前記ワイヤレス受電装置からの送電指示信号を受信する受信回路と、
    前記送電指示信号に従って前記昇圧コンバータの昇圧レベルを制御する昇圧制御回路と、
    前記昇圧コンバータの動作の有無を検出する動作検出回路と、
    前記インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、を備え、
    前記動作検出回路は、送電開始から一定時間経過後に前記昇圧コンバータが動作を行っていないことを検出したとき停止信号を出力し、
    前記インバータ制御回路は、前記動作検出回路からの前記停止信号を入力したとき前記インバータの動作を停止する、ワイヤレス送電装置。
  2. 前記動作検出回路は、前記送電開始から前記一定時間経過後に前記昇圧コンバータの動作を検出できなかったとき、異常動作カウント値をインクリメントすると共に、前記異常動作カウント値が所定値に達するまで送電の再開を繰り返し、前記異常動作カウント値が前記所定値に達したときに送電の再開を行わない、請求項１に記載のワイヤレス送電装置。
  3. 請求項１または２に記載のワイヤレス送電装置と、
    前記ワイヤレス送電装置から送電される電力をワイヤレスにて受電するワイヤレス受電装置と、を備え、
    前記ワイヤレス受電装置は、
    前記交流磁界を介して交流電力を取り込む受電コイルと、
    前記受電コイルが受電した交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
    前記整流回路の出力特性値と目標値との比較結果に基づき前記送電指示信号を生成する出力検出回路と、
    前記送電指示信号を送信する送信回路と、
    前記整流回路の出力特性値が閾値以上のときに前記受信回路への前記送電指示信号の送信を許可するスタートアップ回路と、を備える、ワイヤレス電力伝送システム。
  4. 前記スタートアップ回路は、
    前記整流回路の出力特性値と前記閾値を比較する比較回路と、
    前記比較回路の比較結果に基づき前記送信回路から前記送電指示信号を出力するか否かを制御するスイッチ素子と、
    前記比較回路に入力される前記整流回路の出力特性値と前記閾値の少なくとも一方を変更可能な入力設定部を含む、請求項３に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  5. 前記出力検出回路は、前記出力特性値が前記目標値よりも小さいときに前記送電指示信号のレベルを大きくし、前記出力特性値が前記目標値に対して大きいときに前記送電指示信号のレベルを小さくする、請求項３または４に記載のワイヤレス電力伝送システム。
  6. 前記送電指示信号は光信号であり、前記出力検出回路は、前記出力特性値と前記目標値との比較結果に基づき前記光信号の強度を制御する、請求項５に記載のワイヤレス電力伝送システム。
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