JPWO2018037566A1 - 非接触受電装置、非接触送電装置および非接触送受電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施の形態1に係わる非接触送受電装置の構成を示す回路図である。図1において、1は非接触送電装置を示し、2は非接触受電装置を示している。非接触送電装置1と非接触受電装置2との間は、電磁誘導で結合される。
先ず、非接触送電装置1の構成を説明する。非接触送電装置1は、ドライブ電源101、電界効果トランジスタ(以下、MOSFETとも称する)102、可変電源103、接地容量素子104、チョークコイル105、コモンモードフィルタ106、111、容量素子107、109、インダクタ108、フィルタ110、共振容量素子112および送電コイル113を備えている。
次に、非接触受電装置2を説明する。非接触受電装置2は、コモンモードフィルタ124、共振容量素子122、受電コイル121、フィルタを兼ねた整合回路(整合+フィルタと記載)123、整流用ダイオード125、126、127、128、平滑回路129、DC−DCコンバータ133および負荷抵抗134を備えている。図1では、DC−DCコンバータ133の負荷として、説明の都合上負荷抵抗134が示されているが、DC−DCコンバータ133の負荷としては、バッテリあるいはバッテリを充電する充電回路などである。この実施の形態1においては、DC−DCコンバータ133として、降圧型のDC−DCコンバータが用いられている。すなわち、DC−DCコンバータ133は、入力された直流電圧よりも低い電圧(例えば、5V)の直流電圧を形成する。
特許文献1に示された技術に基づいて、非接触送受電装置を構成し、DC−DCコンバータで直流電圧を形成するようにした場合、例えば送電コイル(13)と受電コイル(21)との整合状態あるいは非接触受電装置の負荷の状態によっては、DC−DCコンバータに供給される入力電圧が、所望の値よりもかなり高い値の状態となり、整流回路(22)を構成するデバイスの耐圧が不足するような状態が発生した。また、DC−DCコンバータが出力する直流電圧が、所望の値に到達せず、DC−DCコンバータが正常に動作していない状況も発生した。そこで、本発明者らは、実験を行い、原因を調べる検討を行った。以下、本発明者らが行った検討を説明する。
図2は、図1に示した降圧型のDC−DCコンバータ133の入力電圧とDC−DCコンバータ133の入力電流との関係を示す特性図である。ここでは、DC−DCコンバータ133を、非接触受電装置2から取り出し、DC−DCコンバータ133単体について、入力電圧と入力電流との関係を測定している。
非接触送受電装置においては、図1に示した送電コイル113と受電コイル121との間は、磁界結合している。これにより、図1に示した送電アンプSAMP内の可変電源103の電圧値、すなわち送電アンプSAMPの電源電圧Vddの値を変化させることにより、DC−DCコンバータ133に供給される入力電力を変化させることが可能である。
上記した平滑回路129および整合回路123の条件で、図1に示した非接触送受電装置における送電電圧と負荷抵抗134の端子間電圧との関係を測定した。測定した結果を、図7から図9に示す。
実施の形態1に係わる非接触送電装置1は、高効率化を図るために、送電アンプSAMPとして、E級のスイッチングアンプを使っている。図1において説明したように、E級のスイッチングアンプにおいては、MOSFET102が、ドライブ電源101からのドライブ信号によって周期的にオン・オフ状態となる。このオン・オフ状態への変化、すなわちスイッチングによって、ノイズが発生し、送電コイル113を介して、非接触送電装置1から外部へ放射されることが危惧される。ノイズが外部へ放射された場合、他の無線機器に対して妨害となる。非接触送電装置1だけでなく、本発明者らが検討したところでは、非接触受電装置2においても、整流回路から出力される直流電圧にリップル電圧が重畳され、このリップル電圧もノイズとして作用することが危惧されることが判明した。
図14は、実施の形態2に係わる非接触送受電装置の構成を示す回路図である。図14は、図1と類似しているため、主に相違点を説明する。非接触送電装置1−1の構成は、図1に示した非接触送電装置1と同じであるため、説明は省略する。
図15は、実施の形態3に係わる非接触送受電装置の構成を示す回路図である。実施の形態3に係わる非接触送受電装置は、非接触送電装置1−2と非接触受電装置2−2を備えている。非接触送電装置1−2および非接触受電装置2−2は、図1に示した非接触送電装置1および非接触受電装置2に類似しているので、相違点を主に説明する。
図16は、実施の形態4に係わる非接触送受電装置の構成を示す回路図である。実施の形態4に係わる非接触送受電装置は、非接触送電装置1−3と非接触受電装置2−3を備えている。
図10は、実施の形態5に係わる整合回路123の構成を示す回路図である。この実施の形態5で説明する整合回路123は、他の実施の形態において示されている非接触受電装置に用いられる。ここでは、整合回路123の構成と、インピーダンス整合の設計手段について述べる。
図17は、実施の形態6に係わる非接触受電装置2−4の構成を示す回路図である。図17は、図16に示した非接触受電装置2−3に類似しているので、ここでは相違点を主に説明する。図17に示した非接触受電装置3−4において、図16と相違するのは、整合回路123と制御回路433である。
次に、整合回路123を構成する容量素子の容量値を切り換える動作の一例を説明する。ここでは、非接触送受電装置が、図16に示した非接触送電装置1−3と図17に示した非接触受電装置2−4を備えている場合を説明する。また、非接触送受電装置によって、例えば携帯端末を充電する際に、DC−DCコンバータ133の動作に不具合が発生した場合を、例として説明する。
DC−DCコンバータ133が、若干効率の悪い状態で、充電を行いっていると判定した場合には、表示装置434によって、効率が悪い状態であることを通知し、携帯端末の置き方を直すなどの操作を促したあと、送電を要求するようにしてもよい。
図20は、実施の形態7に係わる非接触送受電装置の構成を示す模式的な外観図である。ここでは、充電台に携帯端末を置いて、携帯端末が内蔵するバッテリに充電する構成を例として説明する。この場合、実施の形態1〜6において説明した非接触受電装置が、携帯端末に搭載され、非接触送電装置が、充電台に搭載されることになる。
図21は、実施の形態7の変形例に係わる非接触送受電装置の構成を示す模式的な外観図である。ここでは、1個の充電台で、複数個の携帯端末を、同時に充電する場合を説明する。
図22は、実施の形態8に係わる非接触送受電装置の構成を示す回路図である。この実施の形態8においては、非接触送受電装置が、電気自動車のバッテリを充電するのに用いられている。すなわち、電気自動車に非接触受電装置が搭載され、自宅を含む給電ステーションに非接触送電装置が設置されている。この実施の形態8における非接触送電装置は、実施の形態3および4で説明した非接触送電装置1−2および1−3に類似し、非接触受電装置も、実施の形態3および4で説明した非接触受電装置2−2および2−3に類似している。
図23は、実施の形態9に係わる非接触送受電装置の構成を示す模式的な外観図である。図23において、800は無人飛行機を示し、611は充電台を示している。この実施の形態9においては、無人飛行機800に、バッテリと非接触受電装置が搭載され、充電台611に非接触送電装置が搭載される。無人飛行機800のバッテリを充電する場合、充電台611の上空に無人飛行機800が位置するように飛行させる。これにより、非接触でバッテリへの充電が行われるようになる。
2、2−1〜2−5 非接触受電装置
103 可変電源
106、111、124 コモンモードフィルタ
113 送電コイル
121 受電コイル
123 整合回路
129 平滑回路
130、131 インダクタ
132 平滑容量素子
133 DC−DCコンバータ
SAMP 送電アンプ
Claims (14)
- 非接触送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルによって受電した電力を整流し、高電位側の整流出力と低電位側の整流出力を形成する整流回路と、
前記整流回路から、前記高電位側の整流出力と前記低電位側の整流出力が供給され、平滑して直流電圧を形成する平滑回路と、
前記平滑回路からの直流電圧を第1電圧に変換するスイッチング電源と、
を備え、
前記平滑回路は、前記高電位側の整流出力を伝達する第1インダクタと、前記低電位側の整流出力を伝達する第2インダクタと、伝達された高電位側の整流出力と伝達された低電位側の整流出力とが供給される第1平滑容量素子とを備え、伝達された低電位側の整流出力は、接地電位に接続される、非接触受電装置。 - 請求項1に記載の非接触受電装置において、
前記平滑回路は、前記高電位側の整流出力が供給される前記第1インダクタと、前記低電位側の整流出力が供給される前記第2インダクタとの間に接続された第2平滑容量素子を備え、
前記第2平滑容量素子は、前記電力の高調波成分に対する前記受電コイルの受電インピーダンスよりも低いインピーダンスとなる容量値を有する、非接触受電装置。 - 請求項1または2に記載の非接触受電装置において、
前記非接触送電装置は、電力を発生する送電アンプと、前記送電アンプからの電力を送電する送電コイルとを備え、
前記平滑回路に接続される前記スイッチング電源の入力等価抵抗は、前記スイッチング電源に接続される負荷によって変化し、
前記送電アンプの電源電圧の変化に対する前記送電アンプの動作電流の変化率が、前記スイッチング電源の入力等価抵抗の値によって異なるように、前記第1インダクタと前記第2インダクタの値が設定されている、非接触受電装置。 - 送電アンプを有する非接触送電装置からの電力を受電する受電コイルと、
前記受電コイルで受電した電力を整流する整流回路と、
前記受電コイルと前記整流回路とのインピーダンス整合を行う整合回路と、
前記整流回路からの整流出力を直流電圧に平滑する平滑回路と、
前記平滑回路からの直流電圧を第1電圧に変換するスイッチング電源と、
を備え、
前記受電コイルは、共振容量素子に接続されて、共振回路を構成し、前記整合回路は、前記共振回路に接続された入力端子と前記整流回路に接続された出力端子と、前記入力端子と前記出力端子との間に接続された第3インダクタと、前記入力端子に接続された整合容量素子とを備える、
非接触受電装置。 - 請求項4に記載の非接触受電装置において、
前記整流回路に接続される前記スイッチング電源の入力等価抵抗は、前記スイッチ電源に接続される負荷に基づいて変化し、
前記送電アンプの電源電圧の変化に対する前記送電アンプの動作電流の変化率が、前記スイッチング電源の入力等価抵抗によって異なるように、前記整合回路の特性が設定される、非接触受電装置。 - 請求項5に記載の非接触受電装置において、
前記スイッチング電源の入力等価抵抗の減少に対して、前記送電アンプの動作電流の変化率が大きくなるように、前記整合回路における整合容量素子の容量値が設定される、非接触受電装置。 - 請求項4から6のいずれか1項に記載の非接触受電装置において、
前記受電コイルは、第1タップおよび第2タップと、前記第1タップと前記第2タップとの間に配置された第3タップとを備え、
前記共振容量素子は、前記第1タップと前記第2タップとの間に接続され、前記整合回路の入力端子は、前記第3タップに接続されている、非接触受電装置。 - 請求項4から6のいずれか1項に記載の非接触受電装置において、
前記整合回路は、前記整合容量素子と並列接続された調整回路を備え、
前記調整回路は、電界効果トランジスタと調整容量素子を備え、前記電界効果トランジスタによって、選択的に前記調整容量素子が、前記整合容量素子に接続される、非接触受電装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の非接触受電装置において、
前記非接触受電装置は、前記受電コイルと前記整流回路との間に接続されたコモンモードフィルタを備えている、非接触受電装置。 - 請求項1から9のいずれか1項に記載の非接触受電装置において、
前記スイッチング電源は、降圧型のDC−DCコンバータを有する、非接触受電装置。 - 電力を発生する送電アンプと、
前記送電アンプが発生する電力における高調波を抑圧するフィルタと、
前記フィルタを介して前記送電アンプから電力が供給される送電コイルと、
前記フィルタと前記送電コイルとの間に接続されたコモンモードフィルタと、
を備える、非接触送電装置。 - 請求項1から10のいずれか1項に記載の非接触受電装置を備え、
前記非接触送電装置は、
電力を発生する送電アンプと、
前記送電アンプが発生する電力における高調波を抑圧するフィルタと、
前記フィルタを介して前記送電アンプからの電力が供給される送電コイルと、
前記フィルタと前記送電コイルとの間に接続されたコモンモードフィルタと、
を備える、非接触送受電装置。 - 請求項12に記載の非接触送受電装置において、
前記送電アンプは、第1電界効果トランジスタと第2電界効果トランジスタとを備え、前記第1電界効果トランジスタと前記第2電界効果トランジスタは、プッシュプル方式で駆動されるスイッチングアンプを備える、非接触送受電装置。 - 請求項9に記載の非接触受電装置を備え、
前記非接触受電装置は、前記コモンモードフィルタの前段に接続され、受電電力に対して変復調を行う第1変復調回路を備え、
前記非接触送電装置は、電力を発生する送電アンプと、前記電力における高調波を抑圧するフィルタと、前記フィルタを介して前記送電アンプからの電力が供給される送電コイルと、前記フィルタと前記送電コイルとの間に接続されたコモンモードフィルタと、前記コモンモードフィルタの後段に接続され、送信電力に対して変復調を行う第2変復調回路とを備え、
前記第1変復調回路は、前記受電電力に対して負荷変調を行う負荷変調回路であり、前記第2変復調回路は、前記送電電力に対して振幅変調を行う振幅変調回路である、非接触送受電装置。
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