JP7378084B2 - 非接触給電システム - Google Patents

Description

本発明は、負荷に非接触で電力を供給できる非接触給電システムに関するものである。

従来、例えば携帯型電子機器やロボット掃除機等の機器に非接触で電力を伝送する非接触給電システムとして、磁気共鳴を用いたものが知られている。この磁気共鳴方式の非接触給電システムは、例えば特許文献１に示すように、電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、バッテリー（負荷ともいう）に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備えており、一次側コイルと二次側コイルとを共振周波数で共鳴させることにより、送電ユニットから受電ユニットに電力を伝送し、これにより機器に内蔵されたバッテリーを充電することができる。

ところで、このような磁気共鳴方式の非接触給電システムとしては、電力の伝送効率を高くするため、一次側コイルと二次側コイルの共振周波数（動作周波数ともいう）を例えば１０ｋＨｚ以上の高周波に設定したものが用いられることがある。この場合、例えば充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物等が存在すると、これが高周波の磁界により急激に加熱され、火傷や火災を引き起こす恐れがある。

そこで近年では、動作周波数を低周波（例えば３ｋHｚ以下）に設定した非接触給電システムが開発されている。これにより上記した金属異物による発熱の影響を低減することができる。

特開２０１４－９０６１７号公報

しかしながら、動作周波数を低周波にする場合、共振器である一次側コイル及び二次側コイルのサイズが大きくなってしまい、負荷（バッテリー）を備える機器の小型化及び軽量化の障壁になるという問題がある。

そこで本発明は、磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて二次側コイルを小型化し、負荷を内蔵する機器の小型化に寄与することを主たる課題とするものである。

すなわち本発明に係る非接触給電システムは、電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備え、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに対向配置された前記二次側コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型のものであって、前記一次側コイル及び前記二次側コイルが磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、
（ｉ）前記二次側コイルを構成する導線の線径が前記一次側コイルを構成する導線の線径よりも小さく、又は
（ｉｉ）前記二次側コイルを構成する導線の巻き数が前記一次側コイルを構成する導線の巻き数よりも小さく、
且つ前記二次側コイルの体積が前記一次側コイルの体積よりも小さいことを特徴とする。

このような構成であれば、二次側コイルを構成する導線の線径を、一次側コイルを構成する導線の線径よりも小さくして、二次側コイルの体積を前記一次側コイルの体積よりも小さくしているので、非接触給電システムの動作周波数を低周波にした場合であっても、二次側コイルの体積を一次側コイルの体積に比べて小さくできる。二次側の巻き数を少なくして、二次側コイルの体積を前記一次側コイルの体積よりも小さくした場合も同等である。これにより、負荷及びこれに接続される受電ユニットを内蔵する機器の小型化に寄与することができる。

前記非接触給電システムは、前記一次側コイルと前記二次側コイルの共振周波数が３ｋＨｚ以下であることが好ましい。
このようなものであれば、充電時に送電ユニットと受電ユニットとの間に金属異物等が存在する場合でも、金属異物が急激に加熱されることを防止でき、火傷や火災の発生を抑制できる。

前記非接触給電システムは、前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは板状であり、互いに対向する面の面積が等しいことが好ましい。
このような構成であれば、一次側コイルと二次側コイルが備える各磁性コアの対向面積が等しいので、電力の伝送効率を高めることができる。

前記非接触給電システムは、前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは、導線が巻回される被巻回部と、前記被巻回部からコイルの軸方向の両端に突出する突出部とを備え、当該突出部は前記軸方向の端部に向かうにつれて厚みが小さくなるテーパ状を成していることが好ましい。
このような構成であれば、二次側コイルのより一層の小型化を図りながらも、磁束密度を高めることができる。

前記非接触給電システムの態様として、前記二次側コイルの軸方向に沿ったコイル長さと前記一次側コイルの軸方向に沿ったコイル長さとが等しく、且つ前記二次側コイルのコイル外径が前記一次側コイルのコイル外径よりも小さいものを挙げることができる。

前記非接触給電システムの態様として、前記送電ユニットは、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに直列接続された一次側共振コンデンサとを含む一次側共振回路を備え、前記受電ユニットは、前記二次側コイルと、前記二次側コイルに直列接続された二次側共振コンデンサとを含む二次側共振回路を備えるものを挙げることができる。

前記非接触給電システムのより具体的な態様として、前記受電ユニットは、前記二次側共振回路から前記負荷を見た負荷抵抗値を制御することにより前記二次側コイルに流れる電流の大きさを所定値以下に抑えるインピーダンス変換部を備えることが好ましい。
このようなインピーダンス変換部を備えることにより二次側コイルに流れる電流値を所定値以下に抑えることができるので、二次側コイルを構成する導線の線径を、一次側コイルを構成する導線の線径よりも小さくすることができる。

前記インピーダンス変換部の態様として、前記二次側コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、前記二次側共振回路に対して直列に接続される半導体スイッチと、前記二次側共振回路及び前記半導体スイッチに対して直列に接続され、前記半導体スイッチと前記負荷との間に設けられたコイルと、前記電流検出器が検出した電流値に応じて、前記半導体スイッチのスイッチング動作のデューティ比を制御する制御部とを備えるものを挙げることができる。

このように構成した本発明によれば、磁気共鳴方式の非接触給電システムにおいて二次側コイルを小型化し、負荷を内蔵する機器の小型化に寄与することができる。

本実施形態の非接触給電システムの回路構成を概略的に示す図。 同実施形態の受電ユニットの回路構成を概略的に示す図。 同実施形態の一次側コイル及び二次側コイルの構成を概略的に示す図。 同実施形態の一次側コイル及び二次側コイルの構成を概略的に示す図。 同実施形態のインピーダンス変換部を用いて受電ユニットの負荷抵抗値を制御した際の、給電効率及びコイル電流の変化を示すグラフ。

以下に本発明の一実施形態に係る非接触給電システム１００について図面を参照して説明する。

＜全体構成＞
本実施形態の非接触給電システム１００は、例えばロボット掃除機等の電子機器に内蔵されたバッテリー（負荷）４を、充電器により非接触で充電するためのものである。具体的にこの非接触給電システム１００は、図１に示すように、電源１に接続される充電器に内蔵された送電ユニット２と、ロボット掃除機に内蔵され、負荷４に接続される受電ユニット３とを備えている。この非接触給電システム１００は、送電ユニット２が備える一次側コイル２３１と、受電ユニット３が備える二次側コイル３１１とを対向させるとともに、一次側コイル２３１と二次側コイル３１１とを、３ｋＨｚ以下の低周波の共振周波数（商用電源周波数であることが好ましい）で共鳴させることにより、送電ユニット２から受電ユニット３に電力を伝送する所謂磁気共鳴方式のものである。以下、詳細に説明する。

＜送電ユニット２＞
送電ユニット２は、電源１からの電力を受電ユニット３に伝送するものである。具体的にこの送電ユニット２は、電源１から供給される交流電圧を直流電圧に整流及び平滑化する整流平滑回路２１と、整流平滑回路２１に並列に接続されて、直流電圧を任意の周波数の交流電圧に変換して出力するインバータ回路２２と、インバータ回路２２に並列に接続された一次側共振回路２３と、制御部２４とを備える。

整流平滑回路２１としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えばダイオードブリッジや平滑コンデンサ等を含んで構成される。またインバータ回路２２としても既知の構成のものが適用されてよく、例えば、４つのスイッチング素子から構成したフルブリッジ方式のものが挙げられる。制御部２４は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、インバータ回路２２が出力する交流電圧の周波数を制御するよう機能する。

一次側共振回路２３は、インバータ回路２２からの交流電圧が印加されて、振動磁場を発生させるものである。具体的にこの一次側共振回路２３は、互いに直列接続された一次側コイル２３１と一次側共振コンデンサ２３２から構成される、ＬＣ直列共振回路である。

一次側コイル２３１は、図３及び図４に示すように、略板状の一次側磁性コア２３１Ｃに導線２３１Ｌを巻回したソレノイド型のものである。一次側磁性コア２３１Ｃは、フェライト等の磁性材料により形成された板状を成すものである。一次側磁性コア２３１Ｃは、導線２３１Ｌが巻回される被巻回部２３１Ｃ_１と、被巻回部２３１Ｃ_１からコイル２３１の軸方向の両端に突出する一対の突出部２３１Ｃ_２、２３１Ｃ_３とを備える。この突出部２３１Ｃ_２、２３１Ｃ_３は、導線２３１Ｌが巻回されることなく剥き出しになっており、二次側コイル３１１に対向する矩形状の対向面２３１Ｃｓを備えている。当該突出部２３１Ｃ_２、２３１Ｃ_３とは前記軸方向の端部に向かうにつれて厚みが小さくなるテーパ状を成している。

＜受電ユニット３＞
受電ユニット３は、送電ユニット２から伝送された電力を受け取り、当該電力を負荷４に出力するものである。具体的にこの受電ユニット３は、一次側共振回路２３と磁気共鳴し、交流電圧を生じさせる二次側共振回路３１と、二次側共振回路３１から出力された交流電圧を整流する整流回路３２と、整流回路３２から出力された直流電圧を平滑化する第１平滑回路３３と、平滑化された直流電圧の電圧値を調節する電圧変換回路３４と、電圧変換回路３４から出力された直流電圧を平滑化する第２平滑回路３５と、制御部３６とを備える。受電ユニット３が備えるこれらの回路は、互いに並列に接続されており、かつ負荷４に対して並列に接続されている。

二次側共振回路３１は、互いに直列接続された二次側コイル３１１と二次側共振コンデンサ３１２から構成される、ＬＣ直列共振回路である。

二次側コイル３１１は、図３及び図４に示すように、略板状の二次側磁性コア３１１Ｃに導線３１１Ｌを巻回したソレノイド型のものである。二次側磁性コア３１１Ｃは、フェライト等の磁性材料により形成された板状を成すものである。二次側磁性コア３１１Ｃは、導線３１１Ｌが巻回される被巻回部３１１Ｃ_１と、被巻回部３１１Ｃ_１からコイル３１１の軸方向の両端に突出する一対の突出部３１１Ｃ_２、３１１Ｃ_３とを備える。この突出部３１１Ｃ_２、３１１Ｃ_３は、導線３１１Ｌが巻回されることなく剥き出しになっており、一次側コイル２３１に対向する矩形状の対向面３１１Ｃｓを備えている。当該突出部３１１Ｃ_２、３１１Ｃ_３は前記軸方向の端部に向かうにつれて厚みが小さくなるテーパ状を成している。

整流回路３２としては、既知の構成のものが適用されてよく、例えば４つのダイオードから構成されるダイオードブリッジである。整流回路３２は、二次側コイル３１１及び二次側共振コンデンサ３１２に並列接続され、二次側コイル３１１及び二次側共振コンデンサ３１２に生じた交流電圧を整流（すなわち脈流電圧に変換）する。

第１平滑回路３３は、整流回路３２に並列接続された第１平滑コンデンサ３３１を備えており、整流回路３２から出力される脈流電圧を平滑化することにより、直流電圧を生成する。第１平滑コンデンサ３３１はその一端が整流回路３２の出力端に接続され、他端が整流回路３２の入力端に接続されている。

電圧変換回路３４は、本実施形態では、図２に示すように、第１スイッチング素子３４１、第２スイッチング素子３４２及びコイル３４３を備える所謂降圧回路であり、直流電圧を降圧するものである。二次側コイル３１１から見て、第１スイッチング素子３４１及び第２スイッチング素子３４２は、第１平滑コンデンサ３３１に対して並列に接続されている。第１スイッチング素子３４１はその一端が整流回路３２の出力端に接続されている。コイル３４３は、第１スイッチング素子３４１に直列に接続されるとともに、第２スイッチング素子３４２に並列に接続されている。コイル３４３はその一端が第１スイッチング素子３４１及び第２スイッチング素子３４２に接続され、他端が負荷４に接続されている。第１スイッチング素子３４１及び第２スイッチング素子３４２は、例えばＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチであり、制御部３６からの制御信号に基づいてＯｎ・Ｏｆｆ状態が切替えられる。なお本実施形態の電圧変換回路３４は、第１平滑回路３３と第２平滑回路３５との間に設けられているが、これに限らない。電圧変換回路３４は、整流回路３２と負荷４との間に設けられていればよい。

第２平滑回路３５は、コイル３４３に直列に接続されるとともに、第２スイッチング素子３４２に並列に接続された第２平滑コンデンサ３５１を備えている。第２平滑回路３５は、電圧変換回路３４で降圧された直流電圧を平滑化する。

制御部３６は、物理的には、ＣＰＵ、メモリ、入力手段などを備えたものであり、そのメモリに記憶させた所定のプログラムにしたがって動作することによって、降圧回路が備える第１スイッチング素子３４１及び第２スイッチング素子３４２のスイッチング動作を制御するよう機能する。制御部３６は、第１スイッチング素子３４１及び第２スイッチング素子３４２に対して所定の周期のパルス信号を出力することで、これらのスイッチング動作のデューティ比（Ｏｎ時間とＯｆｆ時間の割合）を制御する（ＰＷＭ制御）ように構成されている。

受電ユニット３はまた、二次側コイル３１１及び二次側共振コンデンサ３１２に直列に接続された電流検出器３７を備えている。この電流検出器３７は、二次側コイル３１１に流れる電流値を測定し、その測定値を制御部３６に送信する。電流検出器３７は、ＣＴ方式やホール素子方式等の任意のものであってもよい。

しかして本実施形態の非接触給電システム１００は、負荷４を内蔵するロボット掃除機を小型化すべく、二次側コイル３１１を構成する導線３１１Ｌの線径を一次側コイル２３１を構成する導線２３１Ｌの線径よりも小さくしており、これにより二次側コイル３１１の体積が一次側コイル２３１の体積よりも小さくなるように構成している。以下に、一次側コイル２３１と二次側コイル３１１の構成をより具体的に説明する。

本実施形態の非接触給電システム１００では、図３及び図４に示すように、一次側コイル２３１の軸方向に沿ったコイル長さｌ_１と二次側コイル３１１の軸方向に沿ったコイル長さｌ_２とが等しく、且つ二次側コイル３１１のコイル外径ｄ_２が一次側コイル２３１のコイル外径ｄ_１よりも小さくなるように構成されている。ここで、一次側コイル２３１の軸方向に沿ったコイル長さｌ_１とは、一次側コイル２３１を構成する導線２３１Ｌの巻回軸方向に沿った長さを意味する。二次側コイル３１１の軸方向に沿ったコイル長さｌ_２も同様である。また、一次側コイル２３１のコイル外径ｄ_１とは、一次側コイル２３１を構成する巻回された導線２３１Ｌの径方向に沿った長さを意味する。二次側コイル３１１のコイル外径ｄ_２も同様である。

また本実施形態の非接触給電システム１００では、図３及び図４に示すように、一次側コイル２３１が備える対向面２３１Ｃｓと、二次側コイル３１１が備える対向面３１１Ｃｓが、平面視して同一形状であり、面積が等しくなるように構成されている。

しかして本実施形態の非接触給電システム１００は、このような二次側コイル３１１の形状を実現するため、受電ユニット３において二次側コイル３１１から負荷４を見た負荷抵抗値（具体的には、受電ユニット３における、二次側共振コンデンサ３１２よりも右側部分の負荷インピーダンスの抵抗分をいう）を調節するためのインピーダンス変換部３８を備えている。非接触給電システム１００は、このインピーダンス変換部３８により受電ユニット３の負荷抵抗値を調節することで、充電時における二次側コイル３１１に流れる電流値を所定値（例えば１Ａ）以下に制限し、これにより二次側コイル３１１を構成する導線３１１Ｌの線径を小さくすることができる。

具体的にこのインピーダンス変換部３８は、電流検出器３７と、電圧変換回路３４が備える第１スイッチング素子３４１及びコイル３４３と、制御部３６とから構成される。制御部３６は、電流検出器３７が測定した電流値（二次側コイル３１１を流れる電流の値）に基づき、第１スイッチング素子３４１のスイッチング動作のデューティ比を可変制御する。より詳細には、制御部３６は、当該電流値をモニターしながら、当該電流値が所定の値以上とならないように、第１スイッチング素子３４１のスイッチング動作のデューティ比を可変制御する。これにより、二次側コイル３１１に流れる電流の大きさを所定値以下に制御することができる。

図５は、本実施形態のインピーダンス変換部３８を用いて二次側コイル３１１から負荷４を見た負荷抵抗値を制御した際における、給電効率及び一次側コイル２３１（給電コイルと表示）及び二次側コイル３１１（受電コイルと表示）に流れる電流の電流値を示す。図５に示すように、本実施形態のインピーダンス変換部３８により制御することにより、９０％以上の高い給電効率を維持しながらも、受電コイルにおける電流値を１Ａ以下に抑えることができ、二次側コイル３１１の導線３１１Ｌの細線化を図ることができることが分かる。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態の非接触給電システム１００によれば、受電ユニット３が、二次側共振回路３１から負荷４を見た負荷抵抗値を制御することにより二次側コイル３１１に流れる電流の大きさを所定値以下に抑えるインピーダンス変換部３８を備えるので、二次側コイル３１１に流れる電流値を所定値以下に抑えることができる。これにより二次側コイル３１１を構成する導線３１１Ｌの線径を一次側コイル２３１を構成する導線２３１Ｌの線径よりも小さくすることができ、二次側コイル３１１の体積を一次側コイル２３１の体積に比べて小さくし、負荷４及びこれに接続される受電ユニット３を内蔵する機器の小型化に寄与することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。

前記実施形態の非接触給電システム１００は、二次側コイル３１１を構成する導線３１１Ｌの線径を一次側コイル２３１を構成する導線２３１Ｌの線径よりも小さくすることにより二次側コイル３１１の体積が一次側コイル２３１の体積よりも小さくなるように構成したが、これに限らない。他の実施形態では、二次側コイル３１１を構成する導線３１１Ｌの巻き数を一次側コイル２３１を構成する導線２３１Ｌの巻き数よりも少なくすることにより二次側コイル３１１の体積が一次側コイル２３１の体積よりも小さくなるように構成してもよい。このような二次側コイル３１１の構成もまた、インピーダンス変換部３８により受電ユニット３の負荷抵抗値を調節することで、充電時における二次側コイル３１１に流れる電流値を所定値（例えば１Ａ）以下に制限することで実現できる。

前記実施形態において第２スイッチング素子３４２は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチであったが、これに限らずダイオードであってもよい。

前記実施形態において電圧変換回路３４は降圧回路であったがこれに限らない。他の実施形態では電圧変換回路３４は、所謂昇圧回路であってもよい。

前記実施形態における非接触給電システム１００はロボット掃除機の充電に限らず、携帯電話やスマートホン等の他の電子機器の充電に用いられてもよい。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて、様々な実施形態の変形や組合せを行っても構わない。

１００ ・・・非接触給電システム
１ ・・・電源
２３１ ・・・一次側コイル
２３１Ｌ・・・一次側導線
２３１Ｃ・・・一次側磁性コア
３ ・・・受電ユニット
３１１ ・・・二次側コイル
３１１Ｌ・・・二次側導線
３１１Ｃ・・・二次側磁性コア
３７ ・・・電流センサ
３８ ・・・インピーダンス変換部
４ ・・・負荷

Claims (7)

1. 電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備え、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに対向配置された前記二次側コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型の非接触給電システムであって、
   前記一次側コイル及び前記二次側コイルが磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、
   前記二次側コイルを構成する導線の線径が前記一次側コイルを構成する導線の線径よりも小さく、且つ前記二次側コイルの体積が前記一次側コイルの体積より小さく、
   前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは板状であり、互いに対向する面の面積が等しく、
   前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは、導線が巻回される被巻回部と、前記被巻回部からコイルの軸方向の両端に突出する突出部とを備え、
   当該突出部は前記軸方向の端部に向かうにつれて厚みが小さくなるテーパ状を成している非接触給電システム。
2. 電源に接続される一次側コイルを有する送電ユニットと、負荷に接続される二次側コイルを有する受電ユニットとを備え、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに対向配置された前記二次側コイルとを共鳴させることにより前記送電ユニットから前記受電ユニットに電力を伝送する磁気共鳴型の非接触給電システムであって、
   前記一次側コイル及び前記二次側コイルが磁性コアに導線を巻回して構成したソレノイド型のものであり、
   前記二次側コイルを構成する導線の巻き数が前記一次側コイルを構成する導線の巻き数よりも小さく、且つ前記二次側コイルの体積が前記一次側コイルの体積より小さく、
   前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは板状であり、互いに対向する面の面積が等しく、
   前記一次側コイルと前記二次側コイルが備える各磁性コアは、導線が巻回される被巻回部と、前記被巻回部からコイルの軸方向の両端に突出する突出部とを備え、
   当該突出部は前記軸方向の端部に向かうにつれて厚みが小さくなるテーパ状を成している非接触給電システム。
3. 前記一次側コイルと前記二次側コイルの共振周波数が３ｋＨｚ以下である請求項１又は２に記載の非接触給電システム。
4. 前記二次側コイルの軸方向に沿ったコイル長さと前記一次側コイルの軸方向に沿ったコイル長さとが等しく、且つ
   前記二次側コイルのコイル外径が前記一次側コイルのコイル外径よりも小さい請求項１～３のいずれか１項に記載の非接触給電システム。
5. 前記送電ユニットは、前記一次側コイルと、前記一次側コイルに直列接続された一次側共振コンデンサとを含む一次側共振回路を備え、
   前記受電ユニットは、前記二次側コイルと、前記二次側コイルに直列接続された二次側共振コンデンサとを含む二次側共振回路を備える請求項１～４のいずれか１項に記載の非接触給電システム。
6. 前記受電ユニットは、前記二次側共振回路から前記負荷を見た負荷抵抗値を制御することにより前記二次側コイルに流れる電流の大きさを所定値以下に抑えるインピーダンス変換部を備える請求項５に記載の非接触給電システム。
7. 前記インピーダンス変換部は、
   前記二次側コイルを流れる電流を検出する電流検出器と、
   前記二次側共振回路に対して直列に接続される半導体スイッチと、
   前記二次側共振回路及び前記半導体スイッチに対して直列に接続され、前記半導体スイッチと前記負荷との間に設けられたコイルと、
   前記電流検出器が検出した電流値に応じて、前記半導体スイッチのスイッチング動作のデューティ比を制御する制御部とを備える請求項６に記載の非接触給電システム。