JP6948397B2 - 無線電力伝送装置 - Google Patents

Description

本開示は、電気機器に電力を供給するための技術に関する。
本国際出願は、２０１７年９月１４日に日本国出願第２０１７−１７６６５１号に基づく優先権を主張するものであり、日本国特許出願２０１７−１７６６５１号の全内容を参照により本国際出願に援用する。

従来から、電気機器に電力を供給するための技術が知られている。たとえば、日本国公開特許公報「特開２０１７−２２８０４号公報」（特許文献１）には、送電装置及びその制御方法が開示されている。特許文献１によると、送電装置は、受電装置に対して無線電力伝送を行うための送電アンテナに与える出力電圧をえるために、入力電圧を変換するＤＣ／ＤＣ変換器と、受電装置の消費電力に基づきＤＣ／ＤＣ変換器の目標出力電圧を決定し、該決定した目標出力電圧の値をＤＣ／ＤＣ変換器に指示する制御部とを有する。制御部は、決定した目標出力電圧がＤＣ／ＤＣ変換器の入力電圧と等しい電圧を含む所定範囲内にある場合、ＤＣ／ＤＣ変換器に指示する目標出力電圧を、所定範囲外の値に補正する。

また、日本国公開特許公報「特開２０１４−１１０７３３号公報」（特許文献２）には、ワイヤレス電力伝送装置が開示されている。特許文献２によると、ワイヤレス電力伝送装置は、給電コイルと、電源回路と、受電コイルと、コンデンサと、負荷回路と、を備え、電源回路は、電源と、電圧変換回路と、電圧変換回路の入力側又は出力側を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路と、を含み、電圧変換回路は、電源から供給される入力電圧を変圧する電圧変換部と、電圧変換部に接続される変圧制御部とを有し、変圧制御部は、電流検出回路によって検出された検出電流値に基づいて、電圧変換部の変圧する電圧値を制御する。

日本国公開特許公報「特開２０１７−２２８０４号公報（２０１７年１月２６日公開）」 日本国公開特許公報「特開２０１４−１１０７３３号公報（２０１４年６月１２日公開）」

本開示の目的は、効率的に給電することができる無線電力伝送装置を提供することにある。

本開示の一態様に従うと、送電コイルと、送電コイルを駆動するインバータと、インバータを駆動するＤＣ／ＤＣ変換回路と、ＤＣ／ＤＣ変換回路に対する出力電圧指令値を変更することにより、ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力が小さくなるように出力電圧指令値を決定する制御部と、を備える無線電力伝送装置が提供される。

以上のように、本開示によれば、効率的に給電することができる無線電力伝送装置が提供される。

第１の実施の形態にかかる無線電力伝送装置の全体構成を示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる送電部と受電部とを示すイメージ図である。 第１の実施の形態にかかる制御部の処理を示すフローチャートである。 第１の実施の形態にかかる電圧の変化と消費電力の変化とを示すイメージ図である。 第２の実施の形態にかかる制御部の処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態にかかる制御部の第２の処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態にかかる制御部の第３の処理を示すフローチャートである。 第２の実施の形態にかかる制御部の第４の処理を示すフローチャートである。 第３の実施の形態にかかる制御部の処理を示すフローチャートである。 第３の実施の形態にかかる制御部の第２の処理を示すフローチャートである。 第４の実施の形態にかかる制御部の処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
＜第１の実施の形態＞
＜無線電力伝送装置１００の全体構成＞

本実施の形態にかかる無線電力伝送システム１の全体構成について説明する。図１を参照して、無線電力伝送システム１は送電装置（無線電力伝送装置）１００と受電装置２００とを備える。送電装置１００は電源１１０と、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０と、インバータ１３０と、送電部１４０と、制御回路部１５０（制御部）と、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０と並列に接続された電圧検出部１６０と、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０とインバータ１３０の間で直列に接続された電流検出部１７０とを含む。

インバータ１３０は、所定の伝送周波数（例えば、ＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ、Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ Ｍｅｄｉｃａｌ）バンドである１３．５６ＭＨｚ）を有する交流電圧を生成し、送電部１４０へ出力する。出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０は、制御回路部１５０からの制御信号に基づいて、インバータ１３０の出力する電圧を調整する。送電部１４０は、受電部２１０へ非接触で電力伝送するための共振回路を備えている。送電部１４０は、伝送周波数を有する交流電圧にて駆動されることで電磁界を生成する。送電部１４０は、その生成された電磁界を介して、受電部２１０へ非接触で電力伝送する。制御回路部１５０は、ＣＰＵ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｎｉｔ）やメモリなどを含み、送電装置１００の各部を制御する。

受電装置２００は受電部２１０と、整流部２２０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０と負荷２４０を備える。受電部２１０は、非接触で電力を受電するための共振回路を備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０は負荷２４０への出力電圧が所定値になるように電圧変換する。

図２を参照して、本実施の形態においては、送電部１４０は送電用のコイル１４２とキャパシタ１４１とを含む、直列共振回路を形成する。受電部２１０も受電用のコイル２１２とキャパシタ２１１とを含む。

ここで、磁気共鳴方式の無線電力伝送システムは、送電側アンテナの共振周波数と、受電側アンテナの共振周波数とを同一とすることで、送電側アンテナから受電側アンテナに対し無線で電力伝送を行うものであり、電力伝送距離を数十ｃｍ〜数ｍとすることが可能であることが大きな特徴の一つである。無線電力伝送システムの変化しうるパラメータには、受電側の負荷電力と送受電アンテナの位置関係がある。加えて受電側に接続されるＤＣ／ＤＣコンバータの変換効率は負荷電力依存性があるので変化しうるパラメータでもある。更に送受電アンテナの抵抗成分もバラツキを含むので変化しうるパラメータである。

送受電アンテナの位置関係、負荷電力等が変化した場合においても効率良く無線電力伝送できる技術が求められている。そこで、本実施の形態においては、制御回路部１５０が、電圧検出部１６０および電流検出部１７０の出力信号に基づき、インバータ１３０への出力電力が最小になるように出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０に対する出力電圧指令値を調整する。

より詳細には、制御回路部１５０は図３に示すような処理を実行する。すなわち、制御回路部１５０は出力電圧指令値ＶｔａｒｇｅｔをＶｉｎｉｔに設定して、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の定電圧出力制御を行う（ステップＳ１０２）。制御回路部１５０は、電圧検出部１６０および電流検出部１７０からの出力電圧値Ｖｏおよび出力電流値Ｉｏ取得する（ステップＳ１０４）。制御回路部１５０は、出力電圧値Ｖｏおよび出力電流値Ｉｏから出力電力値Ｐｏを算出し、算出した出力電力値Ｐｏを記憶する（ステップＳ１０６）。

次に、制御回路部１５０は、出力電圧指令値ＶｔａｒｇｅｔをＶｔａｇｅｔ＋ΔＶに更新して、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータへ１２０の定電圧出力制御を行う（ステップＳ１０８）。この時は、ΔＶの符号は正、負どちらでも構わない。制御回路部１５０は、再度、電圧検出部１６０および電流検出部１７０のそれぞれから新たな出力電圧値Ｖおよび出力電流値Ｉを取得する（ステップＳ１１０）。制御回路部１５０は、新たな出力電圧値Ｖおよび出力電流値Ｉから出力電力値Ｐ（第２の消費電力）を算出する（ステップＳ１１２）。制御回路部１５０は、記憶された前回の出力電力値Ｐｏと今回の出力電力値Ｐとを比較する（ステップＳ１１４）。

制御回路部１５０は、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏ以下と判定した場合（ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合）、ΔＶの符号を反転させない（ステップＳ１１６）。即ち、現状のΔＶの符号で出力電圧指令値Ｖｔａｒｇｅｔを変更していくことで更に出力電力値Ｐが減少する可能性があると判断する。制御回路部１５０は、出力電力値Ｐを更新して記憶する（ステップＳ１２０）。

一方、制御回路部１５０は、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１１４にてＮＯである場合）、ΔＶの符号を反転させる（ステップＳ１１８）。即ち、現状のΔＶの符号で出力電圧指令値Ｖｔａｒｇｅｔを変更していくことは、出力電力値Ｐを減少させる方向とは逆の方向であると判断する。制御回路部１５０は、ステップＳ１２０に進む。

図４は、出力電圧指令値ＶｔａｒｇｅｔをＶｉｎｉｔからＶｉｎｉｔ＋３ΔＶまで増加させて、Ｖｉｎｉｔ＋ΔＶまで戻した過程と、それに伴う出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０の出力電力、言い換えるとインバータ１３０以降の消費電力の遷移を示している。ここではΔＶの符号は正とする。図４に示すように、出力電圧指令値ＶｔａｒｇｅｔがＶｉｎｉｔ＋ΔＶであるとき、出力電力値Ｐ（新たな検出値）と出力電力値Ｐｏ（記憶値）を比較した結果、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏより小さくなるので、出力電圧指令値ＶｔａｒｇｅｔはΔＶが加算されることでＶｉｎｉｔ＋２ΔＶに変更される。このように、制御回路部１５０は、出力電圧指令値Ｖｔａｒｇｅｔを、出力電力値Ｐが最小となるＶｉｎｉｔ＋２ΔＶを含めて、Ｖｉｎｉｔ＋ΔＶ→Ｖｉｎｉｔ＋２ΔＶ→Ｖｉｎｉｔ＋３ΔＶ→Ｖｉｎｉｔ＋２ΔＶ→Ｖｉｎｉｔ＋ΔＶ→Ｖｉｎｉｔ＋２ΔＶ・・・、という順で変動させていく。

このような出力電圧指令値Ｖｔａｒｇｅｔの変動動作により、仮に送電部１４０と受電部２１０の位置関係の変化に伴って出力電力値Ｐが最小になるＶｔａｒｇｅｔが変動したとしても、制御回路部１５０は、その変動に追従して当該出力電圧指令値Ｖｔａｒｇｅｔを探し出すことが可能となる。したがって、最適な変換効率が得られるＶｔａｒｇｅｔで動作する無線電力伝送システムを提供することができる。

本実施の形態にかかる無線電力伝送システム１は、インバータ１３０の入力電力が最小となるインバータ１３０の動作電圧Ｖｔａｒｇｅｔを随時決定することにより、インバータ１３０、送電部１４０、受電部２１０、整流部２２０、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３０で生じる損失を加味した効率的な無線給電を実行するためのＶｔａｒｇｅｔを決定および調節することができる。

なお、本実施の形態にかかる無線電力伝送システムは、制御回路部１５０は、無線電力伝送装置１００に内蔵されず、外部のＰＣ等に内蔵された回路によって実現されていてもよい。制御回路１５０は無線電力装置１００に内蔵されない場合は、制御回路部１５０と無線電力装置１００は、有線または無線を介して、制御信号または出力信号を交換してもよい。
＜第２の実施の形態＞

すばやく、最適なＶｔａｒｇｅｔを探すために、制御回路部１５０は以下のような処理を行ってもよい。図５に示すように、制御回路部１５０は、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１１４にてＮＯである場合）、出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値以下（例えば、０．５Ｗ〜１．０Ｗの間で設定）か否かを判断する（ステップＳ１２２）。出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値以下である場合（ステップＳ１２２にてＹＥＳである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させて（ステップＳ１２４）、ステップＳ１２０に進む。

一方、出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値よりも大きい場合（ステップＳ１２２にてＮＯである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させるとともにΔＶの値を小さくしてから（ステップＳ１２４）、ステップＳ１２０に進む。

なお、より詳細には、図６に示すように、制御回路部１５０は、ΔＶの初期値を記憶し、ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合およびステップＳ１２２にてＹＥＳである場合に、ΔＶを初期値に戻す構成であってもよい。あるいは、図７に示すように、制御回路部１５０は、ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合およびステップＳ１２２にてＹＥＳである場合に、ΔＶの値を大きくする構成であってもよい。あるいは、図８に示すように、制御回路部１５０は、ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合にΔＶを大きくし、ステップＳ１２２にてＹＥＳである場合に、ΔＶの初期値に戻す構成であってもよい。
＜第３の実施の形態＞

すばやく、最適なＶｔａｒｇｅｔを探すために、制御回路部１５０は以下のような処理を行ってもよい。図９に示すように、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏ以下と判定した場合（ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合）、ΔＶの符号を反転させずにΔＶの値を大きくする（ステップＳ１１６）。制御回路部１５０は、反転フラグをＯＦＦにする（ステップＳ１１７）。

一方、制御回路部１５０は、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１１４にてＮＯである場合）、反転フラグがＯＮになっているか否かを判断する（ステップＳ１２３）。制御回路部１５０は、反転フラグがＯＦＦの場合（ステップＳ１２３にてＮＯである場合）、ΔＶの符号を反転させるとともにΔＶを初期値に戻す（ステップＳ１２４）。制御回路部１５０は、反転フラグをＯＮにする（ステップＳ１２５）。

反転フラグがＯＮの場合（ステップＳ１２３にてＹＥＳである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させるとともにΔＶの値を小さくする（ステップＳ１２６）。制御回路部１５０は、反転フラグをＯＮにする（ステップＳ１２７）。

なお、制御回路部１５０は、図１０に示すように、単に、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏ以下と判定した場合（ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合）、ΔＶの符号を反転させずにΔＶの値を大きくし（ステップＳ１１６Ｂ）、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１１４にてＮＯである場合）、ΔＶの符号を反転させるとともにΔＶの値を小さくしてもよい（ステップＳ１１８Ｂ）。
＜第４の実施の形態＞

すばやく、最適なＶｔａｒｇｅｔを探すために、制御回路部１５０は以下のような処理を行ってもよい。本実施の形態においては、制御回路部１５０は、同一判定を継続した回数を記憶するものである。図１１に示すように、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏ以下と判定した場合（ステップＳ１１４にてＹＥＳである場合）、制御回路部１５０は、同一判定を継続した回数が所定回数以下であるか否かを判断する（ステップＳ１３２）。

同一判定を継続した回数が所定回数以下である場合（ステップＳ１３２にてＹＥＳである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させずに（ステップＳ１３４）、ステップＳ１２０に進む。一方、同一判定を継続した回数が所定回数よりも多い場合（ステップＳ１３２にてＮＯである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させずにΔＶの値を大きくする（ステップＳ１３６）。

一方、制御回路部１５０は、出力電力値Ｐが出力電力値Ｐｏよりも大きいと判定した場合（ステップＳ１１４にてＮＯである場合）、出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値よりも大きいか否かを判断する（ステップＳ１２２）。出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値以下である場合（ステップＳ１２２にてＹＥＳである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させて（ステップＳ１２４）、ステップＳ１２０に進む。

一方、出力電力値Ｐと出力電力値Ｐｏとの差が所望の値よりも大きい場合（ステップＳ１２２にてＮＯである場合）、制御回路部１５０は、ΔＶの符号を反転させるとともにΔＶの値を小さくしてから（ステップＳ１２４）、ステップＳ１２０に進む。
＜まとめ＞

上記の実施の形態においては、送電コイル１４２と、送電コイル１４２を駆動するインバータ１３０と、インバータ１３０を駆動するＤＣ／ＤＣ変換回路１２０と、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２０に対する出力電圧指令値を変更することにより、ＤＣ／ＤＣ変換回路１２０の出力電力が小さくなるように出力電圧指令値を決定する制御回路部１５０と、を備える無線電力伝送装置１００が提供される。

好ましくは、無線電力伝送装置１００は、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０と並列に接続された電圧検出部１６０と、出力電圧可変ＤＣ／ＤＣコンバータ１２０とインバータ１３０の間で直列に接続された電流検出部１７０とをさらに備える。制御回路部１５０は、電圧検出部１６０に測定された電圧値と電流検出部１７０に測定された電流値から算出される第１の消費電力値と、出力電圧指令値を変更した状態で電圧検出部１６０に測定された電圧値と電流検出部１７０に測定された電流値から算出される第２の消費電力値とを比較し、第２の消費電力値が第１の消費電力値以下であるとき、出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に出力電圧指令値をさらに変更し、第２の消費電力値が第１の消費電力値より大きいとき、出力電圧指令値の変更方向と違う方向に出力電圧指令値を変更する。

好ましくは、制御回路部１５０は、出力電圧指令値の変更方向と違う方向に出力電圧指令値を変更する際、第１および第２の消費電力値の差が閾値より大きい場合、出力電圧指令値の変更量を前回よりも小さくする。

好ましくは、制御回路部１５０は、出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に出力電圧指令値をさらに変更する際、出力電圧指令値の変更量を前回よりも大きくする。

好ましくは、制御回路部１５０は、出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に出力電圧指令値をさらに変更する際、当該同じ方向に出力電圧指令値を変更する回数が閾値を越えた場合、出力電圧指令値の変更量を前回よりも大きくする。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

Claims (6)

1. 送電コイルと、
   前記送電コイルを駆動するインバータ部と、
   前記インバータ部を駆動するＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に対する出力電圧指令値の変更前における前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力と、前記出力電圧指令値の変更後における前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力と、の比較結果に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力が小さくなるように次に変更する前記出力電圧指令値を決定する制御部と、を備える無線電力伝送装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣ変換回路および前記インバータ部と並列に接続された電圧検出部と
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路と前記インバータ部の間に直列に接続された電流検出部とをさらに備え、
   前記制御部は、前記電圧検出部に測定された電圧値と前記電流検出部に測定された電流値から算出される第１の消費電力値と、前記出力電圧指令値を変更した状態で前記電圧検出部に測定された電圧値と前記電流検出部に測定された電流値から算出される第２の消費電力値とを比較し、前記第２の消費電力値が前記第１の消費電力値以下であるとき、前記出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に前記出力電圧指令値をさらに変更し、前記第２の消費電力値が前記第１の消費電力値より大きいとき、前記出力電圧指令値の変更方向と違う方向に前記出力電圧指令値を変更する、請求項１記載の無線電力伝送装置。
3. 前記制御部は、前記出力電圧指令値の変更方向と違う方向に前記出力電圧指令値を変更する際、前記第１および第２の消費電力値の差が閾値より大きい場合、前記出力電圧指令値の変更量を前回よりも小さくする、請求項２記載の無線電力伝送装置。
4. 前記制御部は、前記出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に前記出力電圧指令値をさらに変更する際、前記出力電圧指令値の変更量を前回よりも大きくする、請求項２記載の無線電力伝送装置。
5. 前記制御部は、前記出力電圧指令値の変更方向と同じ方向に前記出力電圧指令値をさらに変更する際、当該同じ方向に前記出力電圧指令値を変更する回数が閾値を越えた場合、前記出力電圧指令値の変更量を前回よりも大きくする、請求項２記載の無線電力伝送装置。
6. 送電コイルと、
   前記送電コイルを駆動するインバータ部と、
   前記インバータ部を駆動するＤＣ／ＤＣ変換回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣ変換回路に対する出力電圧指令値の変更前における前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力と、前記出力電圧指令値の変更後における前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力と、の比較結果に基づいて、前記ＤＣ／ＤＣ変換回路の出力電力が小さくなるように次に変更する前記出力電圧指令値を決定する制御部と、を備える無線電力伝送システム。

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