JP7414142B2 - ワイヤレス給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、送電装置と受電装置とで構成されるワイヤレス給電システムに関する。
特許文献１には、供給される交流電力或いは直流電力の交流変換を行う交流変換器と、交流電力を無線送電する送電側共鳴コイルと、送電側制御装置とを送電装置に備え、受電側共鳴コイルと、整流器と、直流変換器と、受電側制御装置と、を受電装置に備えた、電力伝送システムが示されている。そして、受電側制御装置は、制御電源電圧が入力されて起動した後、整流器の出力電圧を測定して送電側制御装置へ送信し、送電側制御装置は、整流器の出力電圧の測定結果に基づいて、整流器の出力電圧が直流変換器の入力電圧として適した値となるように交流変換器を制御することが示されている。
一般に、ワイヤレス給電システムにおいては、伝送距離や電力供給先（負荷）の経時的な状態変化により、受電電力を調整するために、送電する電力の制御機能が必要とされる。特に、大電力を扱うシステムやアプリケーションにおいては、電力損失による発熱に対する温度管理、装置における安全の観点から、高精度な送電電力の制御機能を有したパワーマネジメントが求められる。
特開２０１３－２１５０６５号公報
受電装置から要求される電力に対して、送電装置におけるデジタル制御部（マイコンなど）では、送電する電力を制御する信号を生成し、入力電圧または発振期間を調整して送電する電力を制御する手法が用いられている。
これまでの送電電力の制御技術では、制御信号はデジタル値となり、離散的な値となる。受電装置から要求される電力に対する送電電力の制御では、連続的な値、若しくは高精度な分解能が必要となるが、調整値の刻みがＤＡ変換などの分解能に依存するため、高精度な分解能での制御が不可となり、先行技術では、高精度な送電電力の制御は至難であり、高品質な電力を送電することは困難である。
また、送電電力の制御では、間欠発振調整における発振停止期間を長くすると、受電電力を保持または維持できないので、調整範囲は制限される。一方、入力電圧の調整範囲を広げる調整においても、回路部品の耐圧仕様などがあるため、調整範囲はやはり制限される。この様なことにより、間欠発振調整のみ、または、入力電圧調整のみでは、送電電力の制御範囲を広げること、高品質な電力を送電することは、先行技術では至難である。
そこで、本発明の目的は、受電装置が示す電力要求に基づいて、送電装置は、電力要求を認識して送電電力を調整し、広い調整範囲において、高品質で高精度な送電電力の制御を行うワイヤレス給電システムを提供することにある。
本開示の一例としてのワイヤレス給電システムは、
送電装置と、当該送電装置に備えた送電コイルにワイヤレスで磁気結合する受電コイルを備えた受電装置とで構成されるワイヤレス給電システムにおいて、
前記送電装置は、スイッチ素子がスイッチング動作をするスイッチング回路と、当該スイッチング回路に電気的に接続されて入力電圧を調整する入力電圧調整回路と、デジタル制御回路と、を備え、
前記デジタル制御回路は、前記受電装置が示す電力要求に基づいて、前記入力電圧調整回路の制御及び前記スイッチング回路の間欠発振の制御を行うとともに、前記間欠発振の発振停止期間が所定の停止期間を超えないように前記入力電圧を調整する制御機能を備えることを特徴とする。
本発明によれば、受電装置が示す電力要求に基づいて、送電装置は、電力要求を認識して送電電力を調整し、広い調整範囲において、高品質かつ高精度な送電電力の制御が可能なワイヤレス給電システムが得られる。また、送電装置や受電装置は必ずしも通信装置を備える必要がなく、送電装置は、受電装置が示す電力要求に基づいて、高品質かつ高精度な電力を送電するワイヤレス給電システムが得られる。
図１は本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システムの構成を示すブロック図である。 図２は、図１中に示した入力電圧調整回路２４及びＭＰＵ３０の構成を示す図である。 図３は、スイッチング回路の間欠発振制御に関する、ＭＰＵ３０内の構成を示す図である。 図４は、図３に示したドライバー２５から出力される、スイッチング回路２６に対するスイッチング信号の波形図である。 図５はワイヤレス送電電力の設定例を示す図である。 図６はワイヤレス送電電力のもう一つの設定例を示す図である。 図７は、図１中に示した入力電圧調整回路２４及びＭＰＵ３０の別の構成を示す図である。
図１は本発明の一実施形態に係るワイヤレス給電システム１０１の構成を示すブロック図である。このワイヤレス給電システム１０１は、送電装置１０と、この送電装置１０に備えた送電コイルＬｐにワイヤレスで磁気結合する受電コイルＬｓを備えた受電装置４０とで構成されている。
送電装置１０は、送電回路１１、電圧変換回路１２、送電コイルＬｐを備える。送電回路１１には、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２がスイッチング動作をするスイッチング回路２６と、このスイッチング回路２６に電気的に接続されて入力電圧を調整する入力電圧調整回路２４と、ＭＰＵ３０とを備える。このＭＰＵ３０は本発明に係る「デジタル制御回路」に対応する。
受電装置４０は受電コイルＬｓと受電回路４１とを備える。受電回路４１の出力には負荷が接続される。
送電装置１０の電圧変換回路１２は、直流入力電源電圧を所定電圧に変換して送電回路１１へ入力する。送電回路１１内のＭＰＵ３０は送電回路１１の各部を制御するデジタル制御回路である。送電回路１１内の入力フィルタ２１はリップル成分及びノイズ成分を除去する。電流検出回路２２は受電装置４０から送信された信号を検知するために、ラインに流れる電流を検出する。復調回路２３は電流検出回路２２が検出する電流変化から信号を復調してＭＰＵ３０へ入力する。入力電圧調整回路２４はＭＰＵ３０から出力される制御信号によってスイッチング回路２６へ入力する電圧を調整する。ドライバー２５はＭＰＵ３０からの制御信号によってスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチングする。
スイッチング回路２６はハイサイドのスイッチ素子Ｑ１とローサイドのスイッチ素子Ｑ２を備え、ドライバー２５からのゲート信号によってオン／オフする。ＥＭＩフィルタ２７は電磁妨害の原因となるノイズ成分を抑制する。共振調整回路２８は送電共振キャパシタを含み、送電コイルＬｐと共振回路を構成し、その共振周波数を調整する。
電圧レギュレータ回路３１はＭＰＵ３０に電源電圧を供給する。発振器３２はＭＰＵ３０に対してクロック信号を与える。
過電圧保護回路３３はスイッチング回路２６へ供給される電圧が過電圧であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ３０へ入力する。過熱保護回路３４はスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の温度が過熱状態であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ３０へ入力する。過電流保護回路３５はスイッチング回路２６に流れる電流が過電流であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ３０へ入力する。過電力保護回路３６は共振調整回路２８に発生する電圧に基づいて、送電電力が過大な電力であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ３０へ入力する。
通信ポート３７は送電回路１１外の回路に接続される通信ポートであり、ＭＰＵ３０はこの通信ポート３７を介して外部装置と通信する。
受電回路４１内のＭＰＵ５０は受電回路４１の各部を制御する。受電共振調整回路５１は受電共振キャパシタを含み、受電コイルＬｓと共振回路を構成し、その共振周波数を調整する。整流平滑回路５２は受電コイルＬｓ及び受電共振調整回路５１による受電共振回路に発生する電圧を整流平滑して電圧変換回路５３へ入力する。電圧変換回路５３は整流平滑回路５２の出力電圧を規定電圧に変換して負荷へ供給する。
過電力保護回路５４は電圧変換回路５３に入力される電流に基づいて、負荷供給電力が過負荷であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ５０へ入力する。発振器５５はＭＰＵ５０に対してクロック信号を与える。電圧レギュレータ回路５６はＭＰＵ５０に電源電圧を供給する。過電圧保護回路５７は整流平滑回路５２の出力電圧が過電圧であるか否かを検出し、その結果をＭＰＵ５０へ入力する。変調回路５８は受電共振調整回路５１を変調する。ＭＰＵ５０は変調回路５８を介して受電共振調整回路５１を変調することにより、所定の信号を送電回路１１へ送信する。
受電電圧検出回路６１は整流平滑回路５２の出力電圧を検出してＭＰＵ５０へ入力する。温度検出回路６２は受電回路４１の温度を検出し、ＭＰＵ５０へ入力する。
受電装置４０は、上記変調回路５８により受電共振調整回路５１または整流平滑回路５２を変調することにより受電状態を変化させて、電力要求を送電装置１０に示す。また、送電装置１０は、電流検出回路２２により電流を検出し、検出した電流変化を復調回路２３で復調する制御によって、受電装置４０による電力要求を認識する。この様にして、送電装置や受電装置は必ずしも通信装置を備える必要がなく、送電装置は、受電装置が示す電力要求に基づいて、高品質かつ高精度な電力を送電するワイヤレス給電システムが得られる。
図２は、図１中に示した入力電圧調整回路２４及びＭＰＵ３０の構成を示す図である。
入力電圧調整回路２４は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１、Ｄ－Ａ変換器２４２及び、図２中に示すＬＣＲ回路を備える。
ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１はVIN端子に入力される入力電圧を変換してSW端子からインダクタＬ１を介してスイッチング回路２６へ出力する。ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１はフィードバック端子FBの帰還電圧に応じた電圧をSW端子から出力する。スイッチング回路２６への供給電圧は抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３で分圧され、その分圧された電圧がフィードバック端子FBに帰還する。このことにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１の出力電圧は規定電圧に安定化される。
Ｄ－Ａ変換器２４２はＭＰＵ３０から与えられる制御信号をアナログ電圧に変換して、上記抵抗分圧回路に対するバイアス電圧として印加する。したがって、Ｄ－Ａ変換器２４２の出力電圧に応じてＤＣ－ＤＣコンバータ２４１のフィードバック端子FBへの帰還電圧が制御される。
図３は、スイッチング回路２６の間欠発振制御に関する、ＭＰＵ３０内の構成を示す図である。ＭＰＵ３０は、クロック信号発生回路３０１と、そのクロック信号をスイッチング回路２６のドライバー２５へ出力するＩ／Ｏポート３０３と、このＩ／Ｏポート３０３へ出力／停止の制御信号を与えるタイマー回路３０２とを備える。
図４は、図３に示したドライバー２５から出力される、スイッチング回路２６に対するスイッチング信号の波形図である。図４において、入力電圧は、図２に示したＤＣ－ＤＣコンバータ２４１からスイッチング回路２６へ入力される電圧である。また、「発振期間」はＩ／Ｏポート３０３の出力期間であり、「発振停止期間」はＩ／Ｏポート３０３の停止期間である。この発振期間と発振停止期間は間欠周期で繰り返される。図３に示したクロック信号発生回路３０１の発振周波数は例えば６．７８ＭＨｚである。
送電装置１０からワイヤレス送電される電力は、上記入力電圧によって、及び間欠周期に対する発振期間の割合によって、変化する。ただし、ＭＰＵ３０は、間欠発振の発振停止期間が所定の停止期間を超えないように入力電圧を調整する制御機能を備える。
上記間欠発振の発振停止期間に所定の制限を設けることにより、発振停止期間が異常に長くなることによる、受電電圧の上記間欠周期毎の大きな変動を抑制することができる。
特に、上記所定の発振停止期間は、前記受電装置における受電電圧の保持期間よりも短いことが好ましい。このことにより、図１に示した受電装置４０内の整流平滑回路５２の出力電圧のリップルが大きくなって、直流としての受電電圧が維持できなくなる、といった不具合が回避できる。
また、ＭＰＵ３０は、間欠発振の間欠周期の上限を設定する。このことにより、発振停止期間が長くなることによる、受電電圧の上記間欠周期毎の大きな変動を抑制し、発振停止期間において受電電力を保持または維持することができる。また、ＭＰＵ３０は、間欠発振の間欠周期の下限を設定する。このことにより、間欠周期が短すぎることで送電電力が過大となったり、電磁ノイズが増大したりするといった、不具合を回避できる。
図１に示した送電装置１０は、受電装置４０からの電力要求に基づいて、上記入力電圧を定めることによって、及び間欠周期に対する発振期間の割合を定めることによってワイヤレス給電電力を制御する。
図５はワイヤレス送電電力の設定例を示す図である。横軸は入力電圧の設定、縦軸は上記入力電圧及び上記発振期間の調整による送電電力の大きさである。図５において、太線は入力電圧を複数段に切り替えた各状態での送電電力を示す。太線から下方へ延びるグレーの範囲は、発振期間の調整による送電電力の変化範囲を示す。
この図５に示す例では、入力電圧の切り替えによって送電電力を段階的に粗調整し、発振期間の細かな調整によって送電電力を微調整する。
このように、入力電圧（ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１からスイッチング回路２６へ入力される電圧）の切り替えによって送電電力を粗調整し、発振期間の調整によって送電電力を微調整することで、送電電力を広範囲に亘って、かつ高精細に定めることができる。
図６はワイヤレス送電電力のもう一つの設定例を示す図である。横軸は発振期間の設定、縦軸は上記入力電圧の調整及び上記発振期間の調整による送電電力の大きさである。図６において、太線は発振期間を複数段に切り替えた各状態での送電電力を示す。太線から下方へ延びるグレーの範囲は、入り電圧の調整による送電電力の変化範囲を示す。
この図６に示す例では、発振期間の切り替えによって送電電力を段階的に粗調整し、入力電圧の細かな調整によって送電電力を微調整する。
このように、発振期間の切り替えによって送電電力を粗調整し、入力電圧の調整によって送電電力を微調整することで、送電電力を広範囲に亘って、かつ高精細に定めることができる。
このように、入力電圧の調整と間欠発振制御とにおいて、受電装置４０への送電電力の調整値の刻みが大きい方で受電装置４０への送電電力を粗調整し、受電装置４０への送電電力の調整値の刻みが小さい方で受電装置４０への送電電力を微調整すればよい。
なお、図５に示した例では、発振期間を基準値から短縮方向に調整することで、送電電力を減少方向に調整する例を示したが、同様にして、発振期間を基準値から拡幅方向に調整することで、送電電力を増大方向に調整することもできる。
また、図６に示した例では、入力電圧を基準値から短縮方向に調整することで、送電電力を減少方向に調整する例を示したが、同様にして、入力電圧を基準値から上昇方向に調整することで、送電電力を増大方向に調整することもできる。
図７は、図１中に示した入力電圧調整回路２４及びＭＰＵ３０の別の構成を示す図である。
入力電圧調整回路２４は、ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１及び、図７中に示すＬＣＲ回路を備える。図２に示した例とは、Ｄ－Ａ変換器２４２を備えない点、デジタルポテンショメータＰＭを備える点で異なる。
ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１はVIN端子に入力される入力電圧を変換してSW端子からインダクタＬ１を介してスイッチング回路２６へ出力する。ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１はフィードバック端子FBの帰還電圧に応じた電圧をSW端子から出力する。スイッチング回路２６への供給電圧は抵抗Ｒ１及びデジタルポテンショメータＰＭで分圧され、その分圧された電圧がフィードバック端子FBに帰還する。このことにより、ＤＣ－ＤＣコンバータ２４１の出力電圧は規定電圧に安定化される。
ＭＰＵ３０はデジタルポテンショメータＰＭに制御信号を出力する。デジタルポテンショメータＰＭはその制御信号に応じた抵抗値となる。したがって、ＭＰＵ３０から出力されるこの制御信号に応じてＤＣ－ＤＣコンバータ２４１のフィードバック端子FBへの帰還電圧が制御される。
このようにして、ＭＰＵ３０から出力されるデジタル信号で、直接的にＤＣ－ＤＣコンバータ２４１のフィードバック端子FBの帰還電圧を制御してもよい。
以上に示した本実施形態によれば、次のような作用効果を奏する。
・高分解能の部品を使う必要がなく、シンプルな構成で高精度な送電電力の制御が可能となる。
・間欠発振調整と入力電圧調整を組み合わせることで、送電電力の調整範囲を大きくでき、かつ、所定の停止期間の設定により、受電装置４０における出力電圧の保持が可能となる。
・入力電圧調整に微調整機能、発振期間調整に粗調整機能を備えることで、Ｄ－Ａ変換器２４２などの分解能に依存することなく、高精度な分解能を得ることができ、送電電力の高精細な制御が可能となる。
最後に、本発明は上述した実施形態に限られるものではない。当業者によって適宜変形及び変更が可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変形及び変更が含まれる。
FB…フィードバック端子
Ｌ１…インダクタ
Ｌｐ…送電コイル
Ｌｓ…受電コイル
ＰＭ…デジタルポテンショメータ
Ｑ１，Ｑ２…スイッチ素子
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３…抵抗
１０…送電装置
１１…送電回路
１２…電圧変換回路
２１…入力フィルタ
２２…電流検出回路
２３…復調回路
２４…入力電圧調整回路
２５…ドライバー
２６…スイッチング回路
２７…ＥＭＩフィルタ
２８…共振調整回路
３０…ＭＰＵ（デジタル制御回路）
３１…電圧レギュレータ回路
３２…発振器
３３…過電圧保護回路
３４…過熱保護回路
３５…過電流保護回路
３６…過電力保護回路
３７…通信ポート
４０…受電装置
４１…受電回路
５０…ＭＰＵ
５１…受電共振調整回路
５２…整流平滑回路
５３…電圧変換回路
５４…過電力保護回路
５５…発振器
５６…電圧レギュレータ回路
５７…過電圧保護回路
５８…変調回路
６１…受電電圧検出回路
６２…温度検出回路
１０１…ワイヤレス給電システム
２４１…ＤＣ－ＤＣコンバータ
２４２…Ｄ－Ａ変換器
３０１…クロック信号発生回路
３０２…タイマー回路
３０３…Ｉ／Ｏポート

Claims (6)

  1. 送電装置と、当該送電装置に備えた送電コイルにワイヤレスで磁気結合する受電コイルを備えた受電装置とで構成されるワイヤレス給電システムにおいて、
    前記送電装置は、スイッチ素子がスイッチング動作をするスイッチング回路と、当該スイッチング回路に電気的に接続されて入力電圧を調整する入力電圧調整回路と、デジタル制御回路と、を備え、
    前記デジタル制御回路は、前記受電装置による電力要求に基づいて、前記入力電圧調整回路の制御及び前記スイッチング回路の間欠発振の制御を行うとともに、前記間欠発振の発振停止期間が所定の停止期間を超えないように前記入力電圧を調整する制御機能を備える、
    ワイヤレス給電システム。
  2. 前記所定の停止期間は、前記受電装置における受電電圧の保持期間よりも短い、
    請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
  3. 前記入力電圧の調整と前記間欠発振の制御とにおいて、前記受電装置への送電電力の調整値の刻みが大きい方で前記受電装置への送電電力を粗調整し、前記受電装置への送電電力の調整値の刻みが小さい方で前記受電装置への送電電力を微調整する、
    請求項１又は２に記載のワイヤレス給電システム。
  4. 前記入力電圧調整回路は、ＤＣ－ＤＣコンバータとＤ－Ａ変換器とを備え、
    前記デジタル制御回路は前記Ｄ－Ａ変換器に調整値を与え、前記ＤＣ－ＤＣコンバータの出力電圧に対する帰還電圧を変化させることで前記入力電圧を調整する、
    請求項１から３のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
  5. 前記受電装置は変調制御によって受電状態を変化させて前記電力要求を前記送電装置に示し、
    前記送電装置は、前記電力要求を検出する復調制御によって前記電力要求を認識する、
    請求項１から４のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
  6. 前記デジタル制御回路は、前記間欠発振の間欠周期の上限を設定する、
    請求項１から５のいずれかに記載のワイヤレス給電システム。
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