JP6755990B2

JP6755990B2 - 受電装置

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Publication number: JP6755990B2
Application number: JP2019042151A
Authority: JP
Inventors: 新之介佐藤; 栗原　直樹; 直樹栗原; 尚弘池田; 高橋　昌義; 昌義高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-03-08
Filing date: 2019-03-08
Publication date: 2020-09-16
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: JP2019083690A

Description

本発明は磁気結合を利用した非接触給電システムの受電装置に関する。

近年、電気自動車や民生用電子機器の分野において、非接触給電（ワイヤレス給電）システムの需要が高まっている。このシステムでは、受電装置を備えた電子機器を給電装置に対向させて設置することにより、双方をケーブルで接続することなく、電力を供給することが出来る。

このようなワイヤレス給電を行う装置が特許文献１、特許文献２に記載されている。

特許文献１には、「非接触充電装置３は、充電器２の１次コイル７に対応して設けられる２次コイル１３と、２次コイル１３と並列に接続される共振コンデンサー１４を含む共振回路１５と、共振回路１５と２次電池１１との間に配置される整流回路１６とを備えている。整流回路１６と２次電池１１との間に、充放電制御回路１９と、充電電流の電圧値および／または電流値を監視する充電電力監視回路２０・２１を設ける。共振回路１５には、共振コンデンサー１４および／または２次コイル１３の接続状態を切換えて、共振回路１５のインピーダンスを大小に切換える切換えスイッチ２５を設ける。充電電力監視回路２０・２１が、２次電池１１の電圧値および／または電流値が所定値に達したことを検知した満充電状態において、充放電制御回路１９で切換えスイッチ２５を切換えて、共振回路１５を受電状態が最適な第１受電状態から、受電電力が著しく低下する第２受電状態に変更することを特徴とする。」と記載されている。

特許文献２には、「本開示の一実施の形態に係る受電装置は、給電装置から非接触で給電された電力を受電する受電部と、受電部が受電した電力の受電電圧を変動させる保護回路部と、保護回路部の動作状態を複数の閾値に基づいて複数の状態に制御する制御部とを備えたものである。」と記載されている。

特開2013-212043 国際公開番号 WO 2015/115285

ワイヤレス給電は、例えば地上に備え付けられた給電装置と移動体に備えつけられた受電装置間で用いられるため、両者の距離の変動や、対向の位置ずれなどにより結合係数が変化する。ここで、受電装置側では給電効率を高めるために受電アンテナの共振を鋭く（Qを高く）設定してアンテナ端電圧（もしくは電流）を上昇させているため、給電装置との距離が想定よりも接近したときには過大な電力供給を受けることとなる。この電力供給の変動は装置仕様によって異なるが、大きいときで100倍以上の変化幅を有する装置もあり、受電装置内の機器が故障する問題がある。

上記問題の解決手段として、受電装置が必要以上の電力を受けた場合に、受電装置内のアンテナの受信感度を低下させて、受電装置内回路の故障を防ぐ方式が用いられている。

特許文献１では、受信装置内の2次電池が満充電となったときに、過充電を防ぐためにアンテナ共振に用いているコンデンサを開放し、非共振アンテナとすることで受電アンテナのインピーダンスを高くして受信効率を低下させる構成が示されている。しかし、この手法では受電アンテナのインピーダンスをアンテナコイルが持つリアクタンス以上に高めることが出来ず、受信効率も単ループアンテナ（非共振アンテナ）以下に低減できない。すなわち、保護性能がループアンテナの寸法により制限されず、大電力に対して十分な保護性能を得たいという課題がある。

また特許文献２では、受電装置内のアンテナ端電圧が増大して整流回路出力電圧が閾値を越えた場合に、直列共振アンテナの両端にコンデンサを接続してアンテナ端電圧を低減する構成が示されている。しかし、この手法では、受電アンテナに流れる電流が逆に増大するために直列共振用のコンデンサなどが故障する可能性があるという課題がある。

本発明の目的は、給電装置から受電装置に到達する電力のダイナミックレンジが広い場合でも、受電装置の回路を保護する受電装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、代表的な本発明の受電装置の一つは、給電装置が出力する電力波を受信するための受電アンテナと、受電アンテナに接続して受信した電力を使用する受電部とを備えた受電装置において、受電部の動作を監視して電力の過大入力を検知する判定部と、受電アンテナに直列接続し、判定部の出力に応じて両端のインピーダンスを上昇させる保護回路とを備え、判定部が電力の過大入力を検知したときに保護回路の両端のインピーダンスを上昇させることによって受電アンテナの受信効率を低下させることを特徴とする。

本発明によれば、過大入力時に切替部を短絡してアンテナ共振用コンデンサと共振用インダクタを並列接続し、それらを電力波と同一の周波数で並列共振させることで、アンテナ共振用コンデンサの両端のインピーダンスを上昇させて、受信効率を大幅に低下させることができる。これにより、給電装置から受電装置に到達する電力のダイナミックレンジが広い場合でも、受電装置の回路を保護することが出来る。

実施例１のシステムの全体概要図である。実施例１の回路構成を示すブロック図である。図２のアンテナ回路を並列共振アンテナとした場合を示す図である。図２のアンテナ共振用コンデンサと保護回路共振用インダクタを入れ替えた図である。ハイインピーダンス回路を用いた例を示す図である。保護回路を複数備えた例を示す図である。保護回路共振用インダクタを複数備えた例を示す図である。図１の構成において、切替部に可変抵抗またはMOSFETを用いた図である。図４の構成において、切替部に可変抵抗またはMOSFETを用いた図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本実施例の全体概要を図１に示す。本実施例の受電装置(220)は、対向する給電装置(210)が出力する電力波(200)を受信するための受電アンテナ(221)と、受電アンテナ(221)で受信した電力を使用する受電部(122)と、受電部(122)の動作を監視して電力波(200)の過大入力を検知する判定部(123)と、判定部(123)が過大入力を検知して出力する検知信号によってインピーダンスを上昇させる保護回路(231)を備え、さらに、保護回路(231)を受電アンテナ(221)と直列に実装する。

本実施例の詳細な実施形態を図２に示す。給電装置(210)は、内部に電力波の発生源である電力源(211)と、電力源(211)に接続して外部に電力波(200)を出力する給電アンテナ(212)を備える。

受電装置(220)は、受電アンテナ(221)と直列にアンテナ共振用コンデンサ(228)を接続してアンテナ回路(230)を形成する。アンテナ共振用コンデンサ(228)の定数は、アンテナ回路(230)の共振周波数が電力波(200)の周波数と一致するように設定する。アンテナ回路(230)の両端には整流回路(223)を接続して、アンテナに誘起された交流電圧を直流電圧に変換する。整流回路(223)の出力には、例えば外部への信号出力や、内部に備えたバッテリーの充電など、任意の機能を有する負荷回路(224)を接続する。

また、整流回路(223)の動作を監視して電力波の過大入力を検知する判定回路(225)と、判定回路(225)が過大入力を検知して出力する検知信号によって短絡する切替部(226)を備える。すなわち、切替部(226)は、判定回路(225)が過大入力を検知して出力する検知信号を受け取った時に、その両端のインピーダンスを低下させる。

さらに、アンテナ共振用コンデンサ(228)と電力波(200)の周波数で共振する保護回路共振用インダクタ(227)を備え、保護回路共振用インダクタ(227)と切替部(226)を直列接続したものを、アンテナ共振用コンデンサ(228)に並列接続する。

本構成によれば、受電装置(220)が受信する電力波(200)のレベルが通常の範囲のときには、切替部(226)を開放状態とし、アンテナ回路(230)が電力波(200)の周波数で共振して受信効率が向上する。

一方、過大入力時には判定回路(225)が切替部(226)を短絡することにより、アンテナ共振用コンデンサ(228)と保護回路共振用インダクタ(227)を並列接続して保護回路(231)を形成する。保護回路(231)は電力波(200)の周波数で並列共振するため、両端のインピーダンスが大幅に上昇する。これにより、電力波(200)の受信効率を低下させ、回路を保護することが出来る。

なお、図２ではアンテナ共振用コンデンサ(228)および保護回路共振用インダクタ(227)の数を1個ずつ記載しているが、それぞれ複数であっても良い。ここで、複数のアンテナ共振用コンデンサ(228)がある場合でも、そのうちの1個以上のコンデンサに対して保護回路(231)を形成することで、同様の効果を得ることが出来る。

ここで、上記の説明でアンテナ回路(230)および保護回路(231)の共振周波数を、電力波(200)の周波数と一致させるとしたが、完全に一致させなくても同様の効果が得られ、かつ部品の定数ばらつきに起因する保護回路のインピーダンスばらつきを低減することができるという利点もある。

また、判定回路(225)が監視する対象は、整流回路(223)の動作以外にも、整流回路(223)が出力する直流電圧値や、負荷回路(224)の動作(部品温度やバッテリー充電量)などでも良い。

また、上記説明では切替部(226)を短絡と開放の２状態を示すスイッチのようなものとして説明をしたが、図８の(a)および(b)に示すように、可変抵抗やMOSFETなどに置き換えても良い。図８のように構成することにより、可変抵抗(826)またはMOSFET(829)の抵抗値を離散的ではなく連続的に調整することが可能になるため、電力波(200)の受信効率を連続的に低下させて整流回路(223)の出力電圧を判定回路(225)の制限値付近に安定させることが可能である。なお、MOSFETには寄生ダイオードが付くことから、検知信号の入力が無い場合でも片方向のインピーダンスが低くなる問題があるが、図８の(c)に示すように、2つのMOSFETを逆向きに直列接続したり、図８の(d)に示すように、ダイオードブリッジを用いてMOSFETに片方向のみ電流を流すような回路構成にすることで、上記の問題を解決できる。

また、図３に示すように、アンテナ並列共振用コンデンサ(322)をアンテナ回路(230)と並列に接続して、並列共振アンテナ回路(330)としても良い。通常受電時は並列共振アンテナ回路(330)が共振して受信効率を向上し、過大入力時は保護回路(231)を形成して受信効率を低下する。さらに、並列共振アンテナ回路(330)は出力インピーダンスが高いため、整流回路(223)および負荷回路(224)の入力インピーダンスが高い場合に高効率で電力を伝達可能となる。

実施例１に対して、アンテナ共振用コンデンサ(228)と保護回路共振用インダクタ(227)を入替えた例を図４に示す。アンテナ共振用コンデンサ(228)の代わりに保護回路用アンテナインダクタ(428)を実装し、保護回路共振用インダクタ(227)の代わりに保護回路共振用コンデンサ(427)を実装して電力波の周波数で共振するように定数を設定する。

本構成によれば、過大入力時に実施例１と同様の保護効果を得ることが出来る。なお、図４の構成ではアンテナ回路(230)が通常受電時に非共振アンテナとなるが、アンテナ共振用コンデンサ(228)を追加して実施例１と同様に共振アンテナとしても良い。

また、保護回路用アンテナインダクタ(428)の代わりに、受電アンテナ(221)の一部もしくは配線パターンなどのインダクタンスを用いて保護回路(231)を形成することも可能である。

また、上記説明では切替部(226)を短絡と開放の２状態を示すスイッチのようなものとして説明をしたが、図９の(a)および(b)に示すように、可変抵抗やMOSFETなどに置き換えても良い。図９のように構成することにより、可変抵抗(826)またはMOSFET(829)の抵抗値を離散的ではなく連続的に調整することが可能になるため、電力波(200)の受信効率を連続的に低下させて整流回路(223)の出力電圧を判定回路(225)の制限値付近に安定させることが可能である。なお、MOSFETには寄生ダイオードが付くことから、検知信号の入力が無い場合でも片方向のインピーダンスが低くなる問題があるが、図９の(c)に示すように、2つのMOSFETを逆向きに直列接続したり、図９の(d)に示すように、ダイオードブリッジを用いてMOSFETに片方向のみ電流を流すような回路構成にすることで、上記の問題を解決できる。

過大入力時にアンテナ回路(230)の配線経路を切替える例を図５に示す。受電装置(220)は給電装置(210)が出力する電力波(200)を受信するための受電アンテナ(221)を備え、受電アンテナと直列にアンテナ共振用コンデンサ(228)および切替部(226)を接続してアンテナ回路(230)を形成する。また、アンテナ回路(230)の両端に整流回路(223)を接続して誘起された交流電圧を直流電圧に変換し、整流回路(223)の出力に負荷回路(224)を接続する。また、整流回路(223)の動作を監視して電力波の過大入力を検知する判定回路(225)を備え、判定回路(225)が過大入力を検知して出力する検知信号によって切替部(226)を開放する。また、任意のインピーダンスに設定したハイインピーダンス回路(532)を切替部(226)と並列に接続する。

本構成によれば、通常受電時は切替部(226)を短絡するため、アンテナ回路(230)が共振して受信効率を向上させる。一方、過大入力時は切替部(226)を開放してハイインピーダンス回路(532)をアンテナ回路(230)と直列接続するため、電力波(200)の受信効率を低下させて回路を保護することが出来る。

なお、アンテナ共振用コンデンサ(228)の数は２個以上でも良いし、実装せずに非共振アンテナとしても良い。

実施例１に対して、第二の保護回路(631)を備える例を図６に示す。受電アンテナ(221)と直列接続する第二のアンテナ共振用コンデンサ(628)と、判定回路(225)が過大入力を検知して出力する信号によって短絡する第二の切替部(626)と、第二のアンテナ共振用コンデンサ(628)と電力波(200)の周波数で共振する第二の保護回路共振用インダクタ(627)を備え、第二の保護回路共振用インダクタ(627)と第二の切替部(626)を直列接続したものを、第二のアンテナ共振用コンデンサ(628)と並列接続する。さらに、判定回路(225)は過大入力の判定閾値を２つ有しており、第一の閾値を上回ることで(第一の)切替部(226)を短絡し、第二の閾値を上回ることで第二の切替部(626)を短絡する。また、第二の閾値を第一の閾値より高く設定する。

本実施例によれば、保護回路(231)(631)の数が増加したことでアンテナ回路(230)のインピーダンス上昇量が増加し、受信効率をより低下させることが出来る。また、保護回路を段階的に動作することで、受信効率を段階的に低下させ、整流電圧を安定させることが出来る。なお、保護回路の数は３つ以上でも良い。保護回路の数が多いほど、多段階に受信効率を抑制可能となる。

保護回路(231)に複数の保護回路共振用インダクタを備える構成例を図７に示す。実施例１に対して、判定回路(225)が過大入力を検知して出力する信号によって短絡する第二の切替部(726)と、第二の切替部(726)に直列接続する第二の保護回路共振用インダクタ(727)を備え、第二の切替部(726)と第二の保護回路共振用インダクタ(727)を直列接続したものを、アンテナ共振用コンデンサ(228)および(第一の)保護回路共振用インダクタ(227)と並列接続する。さらに、判定回路(225)は過大入力の判定閾値を２つ有しており、第一の閾値を上回ることで(第一の)切替部(226)を短絡し、第二の閾値を上回ることで第二の切替部(726)を短絡する。また、第二の閾値を第一の閾値より高く設定する。

また、(第一の)切替部(226)と第二の切替部(726)を短絡してアンテナ共振用コンデンサ(228)、(第一の)保護回路共振用インダクタ(227)、第二の保護回路共振用インダクタ(727)で形成する第二の保護回路(732)のインピーダンスを、(第一の)切替部(226)のみを短絡してアンテナ共振用コンデンサ(228)、(第一の)保護回路共振用インダクタ(227)で形成する第一の保護回路(731)のインピーダンスよりも高く設定する。

本構成によれば、受電装置(220)が受信する電力波(200)のレベルが上昇していくと、始めに判定回路(225)が第一の閾値を検知して第一の保護回路(731)を形成し、電力波(200)の受信効率を低下させる。

電力波(200)のレベルが更に上昇すると、判定回路(225)が第二の閾値を検知して第二の保護回路を形成し、保護回路のインピーダンスを更に上昇させて電力波(200)の受信効率を更に低下させる。

本構成によれば、受電装置(220)が受信する電力波のレベル上昇に応じて保護回路(231)のインピーダンスを上昇することで、電力波(200)の受信効率を段階的に低下することが出来る。

なお、保護回路共振用インダクタの数は３つ以上でも良く、数が多いほど多段階に受信効率を抑制可能となる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

122 受電部
123 判定部
200 電力波
210 給電装置
211 電力源
212 給電アンテナ
220 受電装置
221 受電アンテナ
223 整流回路
224 負荷回路
225 判定回路
226 切替部
227 保護回路共振用インダクタ
228 アンテナ共振用コンデンサ
230 アンテナ回路
231 保護回路
322 アンテナ並列共振用コンデンサ
330 並列共振アンテナ回路
427 保護回路共振用コンデンサ
428 保護回路用アンテナインダクタ
532 ハイインピーダンス回路
626 第二の切替部
627 第二の保護回路共振用インダクタ
628 第二のアンテナ共振用コンデンサ
631 第二の保護回路
726 第二の切替部
727 第二の保護回路共振用インダクタ
731 第一の保護回路
732 第二の保護回路
826 可変抵抗
829 MOSFET830 nチャネルMOSFET
831 ダイオード

Claims

給電装置が出力する電力波を受信するための受電アンテナと、前記受電アンテナに接続して受信した電力を使用する受電部とを備えた受電装置において、
前記受電部の動作を監視して電力の過大入力を検知する判定部と、
前記受電アンテナに直列接続し、前記判定部の出力に応じて両端のインピーダンスを上昇させる保護回路とを備え、
前記判定部は、前記過大入力の程度に応じて複数の種類の前記検知信号を出力し、
前記保護回路は、受信した前記検知信号の種類に応じて両端のインピーダンスを上昇させることによって前記受電アンテナの受信効率を低下させることを特徴とする受電装置。
請求項１記載の受電装置において、
前記保護回路は、前記受電アンテナと直列に接続する１個以上のアンテナ共振用コンデンサと、前記アンテナ共振用コンデンサに並列接続される少なくとも一つの並列回路と、を備え、
前記並列回路は、前記検知信号に応じて両端のインピーダンスが変化する切替部と、前記切替部に直列に接続された保護回路共振用インダクタとを有し、
前記判定部は、前記過大入力の程度に応じて複数の種類の前記検知信号を出力し、
前記切替部は、受信した前記検知信号の種類に応じて前記両端のインピーダンスを低下させることによって、前記アンテナ共振コンデンサと前記並列回路とからなる前記保護回路の両端のインピーダンスを上昇させて前記受電アンテナの受信効率を低下させることを特徴とする受電装置。
請求項１記載の受電装置において、
前記保護回路は、前記受電アンテナと直列に接続する１個以上の保護回路用アンテナインダクタと、前記保護回路用アンテナインダクタと並列接続される少なくとも一つの並列回路と、を備え、
前記並列回路は、前記検知信号に応じて両端のインピーダンスが変化する切替部と、前記切替部に直列接続された保護回路共振用コンデンサとを有し、
前記判定部は、前記過大入力の程度に応じて複数の種類の前記検知信号を出力し、
前記切替部は、受信した前記検知信号の種類に応じて両端のインピーダンスを低下させることによって、前記保護回路用アンテナインダクタと前記並列回路とからなる前記保護回路の両端のインピーダンスを上昇させて前記受電アンテナの受信効率を低下させることを特徴とする受電装置。