JP6609232B2

JP6609232B2 - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: JP6609232B2
Application number: JP2016183038A
Authority: JP
Inventors: 裕己川端
Original assignee: 大井電気株式会社
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2019-11-20
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018050365A

Description

本発明は、非接触給電装置に関し、特に、移動自在な送電コイルから受電装置に非接触給電する装置に関する。

非接触給電装置が広く用いられている。非接触給電装置は、受電装置に配線接続されない状態で受電装置に電力を供給する。非接触給電装置には、電磁誘導によって受電装置に電力を供給する電磁誘導方式のものがある。非接触給電装置は送電コイルを備え、受電装置は受電コイルを備えている。送電コイルは、受電コイルとの間の磁気的な結合によって受電コイルに誘電起電力を発生させて、受電装置に電力を供給する。

受電装置には、スマートホン、ゲーム機器、電動歯ブラシ、電動シェーバー等がある。一般にこれらの装置は、繰り返し充放電が可能な二次電池を備えており、二次電池が非接触給電装置によって充電される。充電の際には受電装置が非接触給電装置の所定の位置に配置され、非接触給電装置から受電装置の二次電池に充電電力が供給される。

非接触給電装置には、受電装置を配置する位置に自由度があるものが多い。例えば、スマートホン、ゲーム機器等の携帯情報端末の二次電池を充電する非接触給電装置には、携帯情報端末が配置される平面状の充電領域が設けられるものがある。この場合、携帯情報端末を充電領域に配置する度に、携帯情報端末と非接触給電装置との位置関係が異なる。そして、携帯情報端末と非接触給電装置との位置関係によっては、携帯情報端末に十分な電力を供給することが困難となる場合がある。そこで、特許文献１に記載されているように、給電用コイル（送電コイル）を受電用コイル（受電コイル）に接近させる装置が考えられている。この装置では、給電用コイルに設けられた磁性体（磁石）と、受電用コイルに設けられた磁性体との引力によって、給電用コイルが受電用コイルに引き寄せられる。引用文献１には、給電用コイルおよび受電用コイルとは別に、給電側および受電側のそれぞれに電磁石が設けられ、各電磁石によって給電用コイルが受電用コイルに引き寄せられる実施形態も記載されている。

特開２００９−９５０７２号公報

引用文献１に記載されている非接触給電装置では、送電コイルおよび受電コイルのそれぞれに、磁石または電磁石が付加されている。そのため、非接触給電装置の構造が複雑になってしまう場合がある。また、送電側の規模が大きくなり、送電コイルの移動が困難となってしまう場合もある。

本発明は、簡単な構造によって送電コイルと受電コイルとの位置合わせをすることを目的とする。

本発明に関連する技術は、移動自在な送電コイルと、前記送電コイルに交流電力を与える交流電源と、前記送電コイルに直流電力を与える直流電源と、を備え、磁石と、当該磁石の周りを周回する導線を含む受電コイルとを備える受電装置に非接触給電をすることを特徴とする。

望ましくは、前記受電装置を前記送電コイルの上方で支持すると共に、前記送電コイルを収容する筐体を備え、前記送電コイルは周回する導線によって平坦に形成されており、前記受電コイルの下方で、前記送電コイルの平坦面方向に移動自在である。

また、本発明は、移動自在な送電コイルと、前記送電コイルに交流電力を与える交流電源と、前記送電コイルにおける電気物理量を検出するコイル状態検出部と、前記コイル状態検出部による検出値に応じて、前記送電コイルに直流電力を与える直流電源と、位置合わせ磁石、および、前記位置合わせ磁石の周りを周回する導線を含む受電コイルを備える受電装置と、前記受電装置を前記送電コイルの上方で支持すると共に、前記送電コイルを収容する筐体と、を備え、前記受電装置は、前記位置合わせ磁石と磁極の向きを逆にして、前記受電コイルの外側に前記受電コイルの外周に沿って配置された複数の引き寄せ磁石を備え、前記送電コイルは、周回する導線によって平坦に形成されており、前記受電コイルの下方で、前記送電コイルの平坦面方向に移動自在であることを特徴とする。

望ましくは、前記コイル状態検出部による検出値に基づいて、前記直流電源から出力された直流電圧の極性を切り換える切り換え回路を備える。

送電コイルにおける電気物理量には、例えば、送電コイルに現れる電圧、送電コイルに流れる電流、送電コイルに供給される電力、送電コイルと受電コイルとの間の相互インダクタンス、送電コイルの入力インピーダンス等がある。送電コイルに現れる電圧を検出するためのコイル状態検出部は、例えば、交流電圧計を含む。また、送電コイルに流れる電流を検出するためのコイル状態検出部は、例えば、交流電流計を含む。また、コイル状態検出部を交流電圧計および交流電流計を含むものとすることで、コイル状態検出部は、送電コイルにおける電気物理量として、送電コイルに供給される電力、送電コイルと受電コイルとの間の相互インダクタンス、送電コイルの入力インピーダンス等を検出する。

本発明によれば、簡単な構造によって送電コイルと受電コイルとの位置合わせをすることができる。

非接触充電装置を示す図である。送電回路の構成を示す図である。給電プレートおよび受電装置の断面を示す図である。非接触給電装置の変形例を示す図である。受電コイルおよび各位置合わせ磁石を上から見た様子を示す図である。非接触充電装置を示す図である。引き寄せ磁石の配置例を示す図である。送電回路の構成を示す図である。受電コイルを位置合わせ用の電磁石として用いる構成を示す図である。送電回路の構成を示す図である。

図１には本発明の実施形態に係る非接触給電装置が模式的に示されている。非接触給電装置は、送電回路１０および給電プレート１２を備える。給電プレート１２は、中空の直方体形状を有する筐体１４、筐体１４内に収容された送電コイル１６を備える。筐体１４には油等の液体が充填され、送電コイル１６が筐体１４内で移動自在となっている。送電コイル１６は、１本の導線を平坦に周回させることで形成されており、送電コイル１６を形成する導線の両端には給電ケーブル１８が接続されている。給電ケーブル１８は、筐体内で折り曲げ自在または伸縮自在となっており、筐体１４から引き出されて送電回路１０に接続されている。

筐体１４の上面は、充電領域となっており給電対象の受電装置２０が配置される。図１に例示されている受電装置２０は、直方体形状の受電装置筐体２２を有する。受電装置筐体２２内には位置合わせ磁石２４および受電コイル２６が収容されており、これらは、受電装置筐体２２の底面に固定されている。受電コイル２６は、導線を平坦に周回させることで形成されている。位置合わせ磁石２４はＳ極を下に向けて受電コイルの内側に固定されている。

本実施形態に係る非接触給電装置では、送電コイル１６が非接触給電に用いられるのみならず、電磁石としても用いられる。送電コイル１６に直流電流を流すことで発生した磁束によって、受電コイル２６の内側に配置された位置合わせ磁石２４に送電コイル１６が引き寄せられる。これによって、送電コイル１６と受電コイル２６との位置合わせが行われる。

図２には、送電回路１０の具体的な構成が示されている。送電回路１０は、制御部２５、直流電源２８、スイッチ３０、チョークコイル３２、交流電源４０、直流遮断用コンデンサ４２、および交流電圧計４４を備えている。送電回路１０は、コイル正極接続端子３６およびコイル負極接続端子３８を有し、これらの端子に送電コイル１６の両端が給電ケーブル１８を介して接続されている。

直流電源２８には、例えば、安定化電圧源が用いられる。安定化電圧源は、商用電源としてのコンセント（アウトレット）から出力された交流電圧を降圧し直流電圧に変換して出力する。直流電源２８には電池が用いられてもよい。直流電源２８の負極は、接地導体３４に接続されている。直流電源２８の正極には、スイッチ３０の一端が接続されている。スイッチ３０の他端にはチョークコイル３２の一端が接続されている。チョークコイル３２の他端は、コイル正極接続端子３６に接続されている。

交流電源４０は、非接触給電のための交流電圧を発生する発振回路４０１を備え、交流電圧を出力する。図２においては交流電源４０がテブナンの等価回路によって示されており、発振回路４０１には等価的に信号源インピーダンス４０２が直列接続されている。交流電源４０の出力電圧の周波数（給電周波数）は、電磁誘導によって送電コイル１６から受電コイル２６に伝送される電力が適切となる範囲の値とされる。交流電源４０の一方の出力端は、直流遮断用コンデンサ４２の一端に接続されている。直流遮断用コンデンサ４２の他端はコイル正極接続端子３６に接続されている。

コイル負極接続端子３８は接地導体３４に接続されている。コイル正極接続端子３６とコイル負極接続端子３８との間には交流電圧計４４が接続されている。交流電圧計４４は、コイル正極接続端子３６とコイル負極接続端子３８との間の交流電圧を検出し、その検出値を制御部２５に出力する。制御部２５は、検出値に基づいてスイッチ３０を制御する。

直流遮断用コンデンサ４２は、給電周波数においてインピーダンスが十分に小さくなるような容量を有する。また、チョークコイル３２は、給電周波数においてインピーダンスが十分に大きくなるようなインダクタンスを有する。これによって、直流遮断用コンデンサ４２が短絡され、コイル正極接続端子３６およびコイル負極接続端子３８よりも左側が開放された状態に近似した状態が形成され、送電コイル１６の両端に交流電源４０が接続された状態に近似した状態が形成される。

送電コイル１６には、交流電源４０から印加された交流電圧に基づく交流電流が流れる。送電コイル１６と受電コイル２６との位置関係が適切である場合、送電コイル１６に流れた交流電流によって、送電コイル１６および受電コイル２６の両者に鎖交する交番磁束が発生する。これによって、受電コイル２６には誘導起電力が発生し、送電コイル１６から受電コイル２６に電力が供給される。受電コイル２６は受電装置が備える二次電池に電力を供給し二次電池を充電する。

給電プレート上の充電領域に受電装置が配置された状態によっては、送電コイル１６と受電コイル２６との位置関係が適切でない状態となり得る。すなわち、送電コイル１６と受電コイル２６との間の距離が大きく、これらのコイルに鎖交する交番磁束が不十分となってしまうことがある。

そこで、本実施形態に係る非接触給装置では、次に説明する位置合わせ処理によって、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられる。ここで、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられた状態とは、ｘｙ平面上に投影された送電コイル１６の中心と受電コイル２６の中心とのコイル間距離が、所定範囲内にある状態をいう。

一般に、コイル間距離と、コイル正極接続端子３６およびコイル負極接続端子３８に現れる交流電圧との関係は、送電コイル１６および受電装置の構造、交流電源４０の信号源インピーダンス４０２等の条件によって異なる。しかし、この条件が定められることで、コイル間距離と、コイル正極接続端子３６およびコイル負極接続端子３８に現れる交流電圧との間に一定の関係が成立する。

すなわち、コイル間距離が変化することによって、送電コイル１６および受電コイル２６の両者に鎖交する交番磁束が変化し、送電コイル１６と受電コイル２６との間の相互インダクタンスが変化する。これに伴い、コイル正極接続端子３６とコイル負極接続端子３８との間に現れる交流電圧、および、これらの端子から送電コイル１６に流れる電流の同相成分同士の積は、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられたときに最大となる。これによって、コイル間距離が小さい程、受電コイル２６に接続された負荷に流れる電流が大きくなる。

制御部２５は、検出値が所定の閾値以下である場合には、スイッチ３０をオフからオンにする。直流電流に対してチョークコイル３２のインピーダンスはゼロであり、直流遮断用コンデンサ４２のインピーダンスは無限大である。これによって、直流電源２８から送電コイル１６に直流電圧が印加され、送電コイル１６に交流電流に重畳して直流電流が流れる。この直流電流によって送電コイル１６から直流磁束が発生し、送電コイル１６は受電コイル２６の内側に配置された位置合わせ磁石に引き寄せられ、送電コイル１６と受電コイル２６との位置合わせが行われる。

制御部２５は、検出値が所定の閾値を超える場合には、スイッチ３０をオンからオフにしてもよい。これによって、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられたときにおける直流電力の消費が回避される。

図３には給電プレート１２および受電装置２０の断面が示されている。給電プレート１２の筐体１４は、送電コイル１６の上方の充電領域で受電装置２０を支持する。送電コイル１６は、受電コイル２６の下方で、送電コイル１６の平坦面方向に移動自在である。

図３では、説明の便宜上、送電コイル１６および受電コイル２６を構成する複数周回された導線が１本の環で表されている。図中の符号「×」は、描画面に向かう方向に直流電流が流れていることを示し、白丸中に黒丸が付された符号は、描画面から手前に向かう方向に直流電流が流れていることを示す。

送電コイル１６にはｘｙ平面内で反時計回りの直流電流が流れており、送電コイル１６の内側を上方向に直流磁束Φが貫く。受電コイル２６の内側の位置合わせ磁石２４は、Ｓ極を下に向けて受電装置筐体２２に固定されている。これによって、送電コイル１６が位置合わせ磁石２４に引き寄せられ、送電コイル１６の中心と、受電コイル２６の中心とが近付き、送電コイル１６は受電コイル２６に対して位置が合わせられる。

このような構成によれば、送電コイル１６が非接触給電に用いられるのみならず、電磁石としても用いられる。これによって、簡単な構造によって送電コイル１６と受電コイル２６との位置合わせをすることことができる。また、送電コイル１６が軽量化され、送電コイル１６の動きが迅速となる。

図４には、非接触給電装置の変形例が示されている。この変形例では、受電コイル２６の内側に複数の位置合わせ磁石４５が配置されている。各位置合わせ磁石４５はＳ極を下方向に向けて配置されている。図５には、受電コイル２６および各位置合わせ磁石４５を上から見た様子が模式的に示されている。図５に示される例では、受電コイル２６の内側に縦方向に３個、横方向に３個、合計９個の位置合わせ磁石４５が配置されている。このように、図３に示されている位置合わせ磁石２４よりも小さい複数の位置合わせ磁石４５を受電コイル２６内に配置することで、交番磁束によって位置合わせ磁石に流れる渦電流による損失が低減される。

図６には、第２実施形態に係る非接触給電装置が模式的に示されている。この非接触給電装置は、引き寄せ磁石４６が設けられた受電装置２０を給電の対象とする。図６に示されている受電装置２０では、受電コイル２６の内側に配置された位置合わせ磁石２４に加えて、複数個の引き寄せ磁石４６が、受電コイル２６の外側に受電コイル２６の外周に沿って配置されている。各引き寄せ磁石４６は、位置合わせ磁石２４と磁極の向きを逆にして受電装置筐体２２の底面に固定されている。すなわち、位置合わせ磁石２４はＳ極が下に向けられているのに対し、各引き寄せ磁石４６は、Ｎ極が下に向けられている。図７には、引き寄せ磁石４６の配置例が示されている。この図では、Ｓ極が上方向（ｚ軸正方向）に向けられた８個の引き寄せ磁石４６が、所定の角度間隔で受信コイル２６の外周に沿って配置されている。

図６に破線で示されているように、送電コイル１６が受電コイル２６から離れているときには、送電コイル１６にｘｙ平面内で時計回りの直流電流が流される。これによって、送電コイル１６の内側には下方向に直流磁束Φが貫き、送電コイル１６は引き寄せ磁石４６に引き寄せられる。送電コイル１６が引き寄せ磁石４６に引き寄せられた後、送電コイル１６に流れる直流電流が逆向きとされ、送電コイル１６の内側には上方向に直流磁束Φが貫く。これによって、送電コイル１６は位置合わせ磁石２４に引き寄せられ、送電コイル１６の位置合わせが行われる。

図８には、第２実施形態に係る非接触給電装置の送電回路５０が示されている。この送電回路５０は、直流電源２８とチョークコイル３２との間に切り換え回路５２を備えている。切り換え回路５２は、直流電源２８から出力された電圧の極性を切り換える。切り換え回路５２は、直流電源２８の正極をチョークコイル３２に接続し、直流電源２８の負極を接地導体３４に接続する通常状態と、直流電源２８の負極をチョークコイル３２に接続し、直流電源２８の正極を接地導体３４に接続する逆状態のいずれかの状態を取り得る。

切り換え回路５２は、通常状態時導通スイッチＳ１およびＳ２と、逆状態時導通スイッチＲ１およびＲ２を備える。通常状態時導通スイッチＳ１は、直流電源２８の正極とチョークコイル３２との間に接続されている。通常状態時導通スイッチＳ２は、直流電源２８の負極と接地導体３４との間に接続されている。逆状態時導通スイッチＲ１は、直流電源２８の正極と接地導体３４との間に接続されている。逆状態時導通スイッチＲ２は、直流電源２８の負極とチョークコイル３２との間に接続されている。通常状態時導通スイッチＳ１およびＳ２はオンオフの状態が同一であり、逆状態時導通スイッチＲ１およびＲ２はオンオフの状態が同一である。通常状態時導通スイッチＳ１およびＳ２と、逆状態時導通スイッチＲ１およびＲ２とではオンオフの状態が逆である。通常状態では、通常状態時導通スイッチＳ１およびＳ２がオンであり、逆状態時導通スイッチＲ１およびＲ２がオフである。逆状態では、通常状態時導通スイッチＳ１およびＳ２がオフであり、逆状態時導通スイッチＲ１およびＲ２がオンである。

切り換え回路５２が逆状態である場合、図６の右側に破線で示された向き（ｘｙ平面上で時計回り）の直流電流が送電コイル１６に流れる。切り換え回路５２が通常状態である場合、図６の中央付近に示された向き（ｘｙ平面上で反時計回り）の直流電流が送電コイル１６に流れる。

ここでは、コイル正極接続端子３６とコイル負極接続端子３８との間に現れる交流電圧が、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられたときに最大となる動作例につき説明する。

交流電圧計４４から出力された検出値が所定の閾値以下である場合、制御部２５は切り換え回路５２を逆状態とし、検出値が所定の閾値を超えた場合に制御部２５は切り換え回路５２を通常状態とする。本動作例では、交流電圧計４４から出力される検出値はコイル間距離が小さい程大きくなる。したがって、コイル間距離が大きく検出値が所定の閾値以下であるときは、切り換え回路５２が逆状態となって、送電コイル１６が引き寄せ磁石に引き寄せられる状態となる。そして、送電コイル１６が引き寄せ磁石に引き寄せられて検出値が閾値を超えたときに、切り換え回路５２が通常状態となって送電コイル１６が位置合わせ磁石に引き寄せられて、送電コイル１６の位置合わせが行われる。

このような制御によれば、ユーザが給電プレート上の任意の位置に受電装置を置いた場合であっても、送電コイルが適切な位置に移動する。これによって、受電装置の充電操作が容易になる。

上記では、受電コイル２６の内側に位置合わせ磁石２４が配置された実施形態について説明した。このように位置合わせ磁石２４を用いる代わりに、受電コイル２６を位置合わせ用の電磁石として用いてもよい。この場合、図９に示されているように、位置合わせ磁石を用いない代わりに、受電コイル２６に直流電流が流される。直流電流の向きは、ｘｙ平面上で反時計回りである。これによって、受電コイル２６は電磁石として動作し、Ｓ極を下に向けて配置された位置合わせ磁石と同様の機能を有する。受電コイル２６には、送電コイル１６から発せられた交番磁束に基づく誘導起電力が発生し、直流電流に重畳して交流の誘導電流が流れ、受電装置２０に電力が供給される。

また、上記では、位置合わせ磁石をＳ極を下に向けた方向で受電装置筐体に固定する構成について説明した。位置合わせ磁石はＮ極を下に向けた方向で受電装置筐体に固定されてもよい。この場合、送電コイルに流す直流電流の向きは逆方向とされる。さらに、引き寄せ磁石を用いる場合には、引き寄せ磁石は、Ｓ極を下に向けた方向で受電装置筐体に固定される。

また、上記では交流電圧計４４の検出値に応じて、制御部２５がスイッチ３０を制御する実施形態について説明した。このような構成の他、図１０に示されているように、給電ケーブル１８に交流電流計５４を設け、交流電流計５４の検出値に基づいてスイッチ３０を制御する構成としてもよい。例えば、交流電圧計４４の検出値および交流電流計５４の検出値に基づいて送電コイル１６に供給される電力を求め、この検出電力に基づいてスイッチ３０を制御してもよい。

一般に、送電コイル１６に供給される電力は、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられたときに最大となる。すなわち、コイル間距離が変化することによって、送電コイル１６および受電コイル２６の両者に鎖交する交番磁束が変化し、送電コイル１６と受電コイル２６との間の相互インダクタンスもまた変化する。これによって、コイル間距離が小さい程、送電コイル１６に供給される電力も大きくなる。

この動作例の下、交流電圧計４４および交流電流計５４の各検出値から求められた検出電力もコイル間距離が小さい程大きくなり、送電コイル１６の位置が受電コイル２６の位置に合わせられたときに最大となる。

制御部２５は、検出電力が所定の閾値以下である場合には、スイッチ３０をオフからオンにする。そして、検出電力が所定の閾値を超えたときにはスイッチ３０をオフにして、直流電源２８から出力される電力を節約してもよい。

また、図８に示されている実施形態についても、給電ケーブル１８に交流電流計を設け、交流電流計の検出値に基づいてスイッチ３０を制御してもよい。例えば、交流電圧計４４の検出値および交流電流計の検出値に基づいて、送電コイル１６に供給される電力を求め、この検出電力に基づいて切り換え回路５２を制御してもよい。

この場合、検出電力が所定の閾値以下である場合、制御部２５は切り換え回路５２を逆状態とし、検出電力が所定の閾値を超えた場合に制御部２５は切り換え回路５２を通常状態とする。この動作例では、コイル間距離が小さい程、検出電力が大きくなる。したがって、コイル間距離が大きく検出電力が所定の閾値以下であるときは、切り換え回路５２が逆状態となって、送電コイル１６が引き寄せ磁石に引き寄せられる状態となる。そして、送電コイル１６が引き寄せ磁石に引き寄せられて検出電力が閾値を超えたときに、切り換え回路５２が通常状態となって送電コイル１６が位置合わせ磁石に引き寄せられて、送電コイル１６の位置合わせが行われる。

本実施形態に係る非接触給電装置は、国際標準規格であるＱｉに従って設計されてもよい。

１０，５０送電回路、１２給電プレート、１４筐体、１６送電コイル、１８給電ケーブル、２０受電装置、２２受電装置筐体、２４，４５位置合わせ磁石、２５制御部、２６受電コイル、２８直流電源、３０スイッチ、３２チョークコイル、３４接地導体、３６コイル正極接続端子、３８コイル負極接続端子、４０交流電源、４２直流遮断用コンデンサ、４４交流電圧計、４６引き寄せ磁石５２切り換え回路、５４交流電流計。

Claims

移動自在な送電コイルと、
前記送電コイルに交流電力を与える交流電源と、
前記送電コイルにおける電気物理量を検出するコイル状態検出部と、
前記コイル状態検出部による検出値に応じて、前記送電コイルに直流電力を与える直流電源と、
位置合わせ磁石、および、前記位置合わせ磁石の周りを周回する導線を含む受電コイルを備える受電装置と、
前記受電装置を前記送電コイルの上方で支持すると共に、前記送電コイルを収容する筐体と、
を備え、
前記受電装置は、
前記位置合わせ磁石と磁極の向きを逆にして、前記受電コイルの外側に前記受電コイルの外周に沿って配置された複数の引き寄せ磁石を備え、
前記送電コイルは、
周回する導線によって平坦に形成されており、前記受電コイルの下方で、前記送電コイルの平坦面方向に移動自在であることを特徴とする非接触電力伝送装置。
請求項１に記載の非接触電力伝送装置において、
前記コイル状態検出部による検出値に基づいて、前記直流電源から出力された直流電圧の極性を切り換える切り換え回路を備えることを特徴とする非接触電力伝送装置。