WO2014125730A1

WO2014125730A1 - 送電装置およびワイヤレス電力伝送システム

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Publication number: WO2014125730A1
Application number: PCT/JP2013/084006
Authority: WO
Inventors: 酒井博紀
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2013-02-13
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-08-21
Also published as: JPWO2014125730A1; US9893537B2; JP6061019B2; US20160036246A1

Abstract

送電装置（１０１）に受電装置（２０１）が載置されていない待機状態において、アクティブ電極（１１）およびパッシブ電極（１２）に交流電圧を印加するスイッチング素子（Ｑ５）をオン・オフ制御する。コントローラ（１０）は、アクティブ電極（１１）およびパッシブ電極（１２）の電位差を検出し、変化した場合、送電装置（１０１）に受電装置（２０１）が載置されたと判定する。コントローラ（１０）は、スイッチング素子（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４）のオン・オフ制御を開始し、送電装置（１０１）から受電装置（２０１）への電力伝送を開始する。これにより、待機時での省電力化を実現できる送電装置、およびそれを備えたワイヤレス電力伝送システムを提供する。

Description

送電装置およびワイヤレス電力伝送システム

　本発明は、載置された受電装置へワイヤレスで電力を伝送する送電装置、およびそれを備えたワイヤレス電力伝送システムに関する。

　ワイヤレス電力伝送システムとして、例えば、特許文献１に示す電界結合方式のワイヤレス電力伝送システムが知られている。このシステムでは、送電装置のアクティブ電極から受電装置のアクティブ電極に電界を介して電力が伝送される。特許文献１では、送電装置において、昇圧回路を交番駆動するスイッチング回路へ定電流を供給する状態でスイッチング回路のスイッチング周波数をスイープし、スイッチング回路に印加される電圧の周波数特性に極大値の有無を判定する。極大値が有れば、その周波数を駆動周波数に設定し、電力伝送が開始される。極大値がない場合、受電装置が送電装置に載置されていない状態であるとして、電力伝送は開始されない。

特開２０１２－７０６１４号公報

　特許文献１では、スイッチング回路のスイッチング周波数をスイープすることで、受電装置が送電装置に載置されているか否かを判定している。この判定の際、送電装置は常にスイッチング回路へ定電流を供給し続けている必要がある。このため、特許文献１では、送電装置に受電装置が載置されているか否かを検出するための処理で消費する電力が大きくなるため、待機時における消費電力が大きくなるといった問題がある。

　そこで、本発明の目的は、待機時での省電力化を実現できる送電装置、およびそれを備えたワイヤレス電力伝送システムを提供することにある。

　本発明に係る送電装置は、第１の交流電圧発生回路と、前記第１の交流電圧発生回路の交流電圧が印加される第１の電極および第２の電極と、前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する検出回路と、前記第１の電極および前記第２の電極に第１の前記交流電圧発生回路よりも小電力の交流電圧を印加する第２の交流電圧発生回路と、前記第１の交流電圧発生回路のオン・オフを制御する第１制御部と、前記第２の交流電圧発生回路のオン・オフを制御する第２制御部と、を備え、前記第１制御部は、前記第２制御部が前記第２の交流電圧発生回路がオンとなるよう制御し、前記検出回路で検出された電位差が変化したときに、第１の交流電圧発生回路がオンとなるよう制御を開始する、ことを特徴とする。

　この構成において、第１の電極および第２の電極と対向する電極を有する外部装置（具体的には、送電装置から電力伝送される受電装置）が送電装置に載置された場合、第１の交流電圧発生回路の交流電圧が印加された第１の電極および第２の電極を介して、電界結合により送電装置から外部装置へ電力伝送が行われる。この電力伝送は、外部装置の載置をモニタリングするために、第１の交流電圧発生回路よりも小電力の第２の交流電圧発生回路が発する交流電圧を第１の電極および第２の電極間に印加し、第１の電極および第２の電極の電位差が変化したときに開始される。すなわち、外部装置の載置検知のために、常に第１交流電圧発生回路へ定電流を供給し続けている従来と比べ、本発明の載置検知における消費電力は小さい。これにより、待機時での省電力化を実現できる。

　前記検出回路から前記第１制御部へ出力される検出信号を整流する整流回路を備える構成でもよい。

　この構成では、第１制御部において、検出信号による電位差を検出しやすくなり、第１制御部での制御処理が簡易となる。

　前記検出回路は、前記第２制御部が前記第２の交流電圧発生回路をオンとしたときの前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する第１分圧回路と、前記第１制御部が前記第１の交流電圧発生回路をオンとしたときの前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する第２分圧回路と、を有する構成でもよい。

　この構成では、待機状態では、第１分圧回路により、第１の電力および第２の電極間の電位差を検出でき、大電力が第１の電力および第２の電極に印加される電力伝送時では、第２分圧回路により、第１の電力および第２の電極間の電位差を検出できる。これにより、例えば第２分圧回路の出力電圧を検出し、その出力電圧が変化した場合、電力伝送時の異常時であると判定し、第１制御部は、第１の交流電圧発生回路の動作を停止することで、無駄な電力消費を抑制できる。

　前記第２の交流電圧発生回路はＦＥＴを有し、前記ＦＥＴのドレインもしくはソースに接続された増幅回路、を備える構成でもよい。

　この構成では、第２の交流電圧発生回路を小型化でき、ＦＥＴの確実な駆動を確保できる。

　本発明によれば、外部装置の載置検出のために、常に第１の交流電圧発生回路へ定電流を供給し続けている従来と比べ、本発明の載置検出における消費電力は小さい。これにより、待機時での省電力化を実現できる。

実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図。図１に示す送電装置におけるモニタリング用回路を説明するための回路図。実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図。実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システムの回路図。

（実施形態１）
　図１は、実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム３０１の回路図である。ワイヤレス電力伝送システム３０１は送電装置１０１と受電装置２０１とを備えている。受電装置２０１は負荷ＲＬを備えている。この負荷ＲＬは二次電池である。そして、受電装置２０１は、その二次電池を備えた、例えば携帯電子機器である。携帯電子機器としては携帯電話機、ＰＤＡ、携帯音楽プレーヤ、ノート型ＰＣ、デジタルカメラなどが挙げられる。受電装置２０１は送電装置１０１に載置され、送電装置１０１はこの受電装置２０１の二次電池を充電する。

　送電装置１０１の入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には直流電源Ｖｉｎが接続されている。直流電源ＶｉｎはＤＣ５Ｖまたは１２Ｖを出力する。具体的に説明すると、送電装置１０１は、図示しないＡＣアダプタを介して、例えば商用電源に接続されている。ＡＣアダプタは、商用電源のＡＣ電圧をＤＣ５Ｖまたは１２Ｖへ変換して送電装置１０１へ出力する。送電装置１０１は入力された直流電圧を電源として動作する。

　入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、電流検出用の抵抗Ｒ１を介して、電圧検出用の分圧抵抗Ｒ２，Ｒ３が接続されている。また、入力端子ＩＮ１，ＩＮ２には、抵抗Ｒ１を介して、直流電圧を交流電圧に変換するＤＣ－ＡＣインバータ回路（本発明に係る第１の交流電圧発生回路）が接続されている。ＤＣ－ＡＣインバータ回路は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を有し、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が直列接続され、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４が直列接続されている。スイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４の各ゲートには、コントローラ１０からの制御信号が印加される。そのことにより、スイッチ素子Ｑ１，Ｑ４とスイッチ素子Ｑ２，Ｑ３とは交互にオン・オフする。

　スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とには、昇圧トランスＴ１の１次コイルＬ１１が接続されている。昇圧トランスＴ１の２次コイルＬ１２にはアクティブ電極（本発明に係る第１の電極）１１およびパッシブ電極（本発明に係る第２の電極）１２が接続されている。昇圧トランスＴ１は、交流電圧を昇圧し、昇圧した交流電圧をアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間に印加する。この交流電圧の周波数は１００ｋＨｚから１０ＭＨｚである。

　ここで、上記では昇圧トランスの記載があるが、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の接続点とスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の接続点とに、直接アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２が接続されていてもよい。

　なお、昇圧トランスＴ１の２次側において、図中の破線で示されるキャパシタＣｓは、パッシブ電極１２の接続ラインとグランドとの間に形成される浮遊容量である。

　昇圧トランスＴ１の２次コイルＬ１２にはキャパシタＣ１が並列に接続されている。キャパシタＣ１は、昇圧トランスＴ１の２次コイルＬ１２および漏れインダクタンス（不図示）とともに直列共振回路を形成している。

　受電装置２０１はアクティブ電極２１およびパッシブ電極２２を備えている。アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２は、受電装置２０１を送電装置１０１に載置した場合に、送電装置１０１のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２と間隙を介して対向する。なお、パッシブ電極１２，２２は直接接触していてもよい。図１に示すキャパシタＣａは、アクティブ電極１１，２１の間に形成される容量、キャパシタＣｐはパッシブ電極１２，２２の間に形成される容量である。

　アクティブ電極２１およびパッシブ電極２２には、降圧トランスＴ２の１次コイルＬ２１が接続されている。降圧トランスＴ２の２次コイルＬ２２には、４つのダイオードから構成されたダイオードブリッジＤＢが接続されている。ダイオードブリッジＤＢは、平滑キャパシタＣ２およびＤＣ－ＤＣコンバータ２０を介して出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２に接続されている。出力端子ＯＵＴ１，ＯＵＴ２には、二次電池である負荷ＲＬが接続されている。

　送電装置１０１に受電装置２０１が載置され、送電装置１０１のアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間に電圧が印加されることで、対向配置となったアクティブ電極１１，２１間に電界が生じる。そして、この電界を介して電力が送電装置１０１から受電装置２０１へ伝送される。受電装置２０１では、電力伝送により誘起される交流電圧が降圧トランスＴ２で降圧された後、ダイオードブリッジＤＢ、平滑キャパシタＣ２およびＤＣ－ＤＣコンバータ２０で整流、平滑、および電圧変換され、負荷ＲＬに印加される。

　送電装置１０１には、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送を行っていない待機状態において、受電装置２０１が載置されているか否かを検出するためのモニタリング用回路が設けられている。モニタリング用回路は、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６を有する分圧回路（本発明に係る検出回路）と、スイッチング素子（本発明に係る第２の交流電圧発生回路）Ｑ５とを含む。

　分圧回路において、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４からなる直列回路は、アクティブ電極１１およびグランドの間に接続されている。キャパシタＣ１３，Ｃ１４の接続点はコントローラ１０に接続されていて、コントローラ１０は、この直列回路の出力電圧を検出する。パッシブ電極１２は、浮遊容量Ｃｓを介してグランドに接続されている。すなわち、コントローラ１０は、直列回路の出力電圧を検出することで、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間の電位差を検出する。

　ここで、上記では、キャパシタＣ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４からなる直列回路は、アクティブ電極１１およびグランドの間に接続されているが、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２の間に接続されていてもよい。この場合、浮遊容量ＣｓはＣ１４にまとめられる。

　スイッチング素子Ｑ５はｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴであり、ソースがキャパシタＣ１５，Ｃ１６の接続点に接続され、ドレインが抵抗Ｒ１を介して入力端子ＩＮ１に接続されている。そして、コントローラ１０から制御信号がゲートに印加される。スイッチング素子Ｑ５がオン・オフされることで、直流電圧から変換された交流電圧がアクティブ電極１１に印加される。なお、本発明に係る第２スイッチング回路は、複数のスイッチング素子から構成されていてもよいし、スイッチング素子Ｑ５はｐ型ＭＯＳ－ＦＥＴであってもよい。交流電圧は矩形波や正弦波なども含まれ、周期的な波形に限らず間欠的であってもよい。

　図２は、図１に示す送電装置１０１におけるモニタリング用回路を説明するための回路図である。

　上述したように、パッシブ電極１２の接続ラインとグランドとの間に浮遊容量Ｃｓが形成されるため、昇圧トランスＴ１の２次コイルＬ１２、およびキャパシタＣ１は、浮遊容量Ｃｓを通じてグランドに接続されている。換言すれば、分圧回路のキャパシタＣ１１～Ｃ１４の直列回路には、２次コイルＬ１２およびキャパシタＣ１の並列回路と、浮遊容量Ｃｓとが直列接続された回路が並列に接続されている。

　また、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されている場合には、キャパシタＣａ，Ｃｐおよび降圧トランスＴ２の１次コイルＬ２１からなる直列回路３０が２次コイルＬ１２およびキャパシタＣ１に並列接続された回路となる。一方で、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されていない場合には、キャパシタＣａ，Ｃｐは形成されないため、２次コイルＬ１２およびキャパシタＣ１には、直列回路３０が並列接続されない回路となる。すなわち、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されている場合と、載置されていない場合とで回路インピーダンスが変化する。

　受電装置２０１が送電装置１０１に載置されておらず、送電装置１０１から受電装置２０１へ電力伝送されていない待機状態において、コントローラ１０は、スイッチング素子Ｑ５をスイッチング制御する。これにより、直流電源Ｖｉｎからの直流電圧が交流電圧に変換され、その交流電圧がアクティブ電極１１に印加される。なお、スイッチング素子Ｑ５とアクティブ電極１１との間に接続されたキャパシタＣ１５は、アクティブ電極１１に印加する交流電圧を平滑する。また、スイッチング素子Ｑ５とグランドとの間にキャパシタＣ１６が接続されていることで、スイッチング素子Ｑ５がオフのときにキャパシタＣ１等の充電電圧は放電される。

　コントローラ１０は、分圧回路の出力電圧を検出する。この場合に、送電装置１０１に受電装置２０１が載置されない限り、コントローラ１０は一定の出力電圧を検出する。そして、コントローラ１０は、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチング制御は行わない。これにより、待機状態における送電装置１０１の無駄な電力消費を抑制できる。

　送電装置１０１に受電装置２０１が載置された場合、直列回路３０の影響により、アクティブ電極１１およびパッシブ電極１２の電位差が変化するため、コントローラ１０が検出する分圧回路の出力電圧も変化する。コントローラ１０は、検出した出力電圧が変化すると、受電装置２０１が載置されたと判定する。そして、コントローラ１０は、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４のスイッチング制御を開始する。これにより、送電装置１０１から受電装置２０１への電力伝送が開始される。なお、コントローラ１０は、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の駆動制御を開始したとき、スイッチング素子Ｑ５のスイッチング制御を停止するようにしてもよい。

　このように、コントローラ１０は、スイッチング素子Ｑ５をスイッチング制御して、アクティブ電極１１に電圧を印加し、受電装置２０１の載置の有無を検出する。この電圧印加時の消費電力は、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の駆動時のコントローラ１０の消費電力に比べて小さい。そして、受電装置２０１が載置された時に、コントローラ１０は、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の駆動制御を開始する。このため、実施形態１に係るワイヤレス電力伝送システム３０１では、待機状態時の消費電力を抑制することが可能となる。

（実施形態２）
　図３は、実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システム３０２の回路図である。実施形態２に係るワイヤレス電力伝送システム３０２は、送電装置１０２に設けられたモニタリング用回路が実施形態１と相違する。

　送電装置１０２に設けられたモニタリング用回路において、分圧回路のキャパシタＣ１３，Ｃ１４の接続点には、整流回路１３が接続されている。コントローラ１０は、この整流回路１３を介して、分圧回路の出力電圧を検出する。整流回路１３を設けることで、分圧回路の出力電圧は整流される。この結果、分圧回路の出力電圧が直流電圧化されて、コントローラ１０により検出されることになるので、コントローラ１０での制御処理が簡易となる。

　また、ｎ型ＭＯＳ－ＦＥＴであるスイッチング素子Ｑ５のドレインには、増幅回路１４が接続されている。増幅回路１４を設けることで、アクティブ電極１１に印加する信号レベルが大きくなるため、整流回路１３に印加される電圧が大きくなり、微小な変化を読み取りやすくなる。なお、増幅回路１４はスイッチング素子Ｑ５のソースに接続されていてもよい。

（実施形態３）
　図４は、実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システム３０３の回路図である。実施形態３に係るワイヤレス電力伝送システム３０３の送電装置１０３に設けられたモニタリング用回路が二つの分圧回路を備えている点で、実施形態１と相違する。以下では、キャパシタＣ１１～Ｃ１４からなる直列回路は第１分圧回路と言う。

　送電装置１０３に設けられたモニタリング用回路において、キャパシタＣ１７，Ｃ１８からなる直列回路（以下、第２分圧回路と言う。）が、キャパシタＣ１１～Ｃ１４からなる直列回路に並列接続されている。キャパシタＣ１７，Ｃ１８の接続点には整流回路１５が接続されている。コントローラ１０は、この整流回路１５を介して、第２分圧回路の出力電圧を検出する。

　第１分圧回路と第２分圧回路とは分圧比が異なる。第１分圧回路は、実施形態１と同様に、スイッチング素子Ｑ５がスイッチング制御されてアクティブ電極１１に印加される電圧を検出するよう、回路定数が設定されている。第２分圧回路は、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ４のスイッチング制御による送電装置１０３から受電装置２０１への電力伝送時に、アクティブ電極１１に印加される電圧を検出するよう、分圧定数が設定されている。

　コントローラ１０は、第１分圧回路の出力電圧により、待機状態でのアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間の電位差を検出できる。また、コントローラ１０は、第２分圧回路の出力電圧により、待機状態に比べ大電力が印加されるアクティブ電極１１およびパッシブ電極１２間の電位差を検出できる。これにより、例えば、コントローラ１０は、第１分圧回路の出力電圧により、受電装置２０１の載置の有無を検出し、ＤＣ－ＡＣインバータ回路のスイッチング制御を開始する。また、コントローラ１０は、第２分圧回路の出力電圧により、電力伝送時の受電装置２０１の載置の有無を検出し、ＤＣ－ＡＣインバータ回路のスイッチング制御を停止する。これにより、無駄な電力消費が回避される。

　以上のように、実施形態３では、待機状態での無駄な電力消費を抑制することができ、かつ、電力伝送時に受電装置２０１が取り外された場合に、ＤＣ－ＡＣインバータ回路をスイッチング制御し続けることで無駄な消費電力が生じるといった問題を回避できる。

１０－コントローラ（第１制御部、第２制御部）
１１－アクティブ電極（第１の電極）
１２－パッシブ電極（第２の電極）
１３，１５－整流回路
１４－増幅回路
１０１，１０２，１０３－送電装置
２０１－受電装置
３０１，３０２，３０３－ワイヤレス電力伝送システム
Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ１５，Ｃ１６－キャパシタ（検出回路、第１分圧回路）
Ｃ１７，Ｃ１８－キャパシタ（第２分圧回路）
Ｃａ－アクティブ電極間のキャパシタ
Ｃｐ－パッシブ電極間のキャパシタ
Ｃｓ－浮遊容量
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４－スイッチング素子（第１の交流電圧発生回路）
Ｑ５－スイッチング素子（第２の交流電圧発生回路）
ＲＬ－負荷
Ｔ１－昇圧トランス
Ｔ２－降圧トランス
Ｖｉｎ－直流電源

Claims

　第１の交流電圧発生回路と、
　前記第１の交流電圧発生回路の交流電圧が印加される第１の電極および第２の電極と、
　前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する検出回路と、
　前記第１の電極および前記第２の電極に第１の前記交流電圧発生回路よりも小電力の交流電圧を印加する第２の交流電圧発生回路と、
　前記第１の交流電圧発生回路のオン・オフを制御する第１制御部と、
　前記第２の交流電圧発生回路のオン・オフを制御する第２制御部と、
　を備え、
　前記第１制御部は、前記第２制御部が前記第２の交流電圧発生回路がオンとなるよう制御し、前記検出回路で検出された電位差が変化したときに、第１の交流電圧発生回路がオンとなるよう制御を開始する、
　送電装置。
　前記検出回路から前記第１制御部へ出力される検出信号を整流する整流回路、
　を備える、請求項１に記載の送電装置。
　前記検出回路は、
　前記第２制御部が前記第２の交流電圧発生回路をオンとしたときの前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する第１分圧回路と、
　前記第１制御部が前記第１の交流電圧発生回路をオンとしたときの前記第１の電極および前記第２の電極間の電位差を検出する第２分圧回路と、
　を有する、
　請求項１または２に記載の送電装置。
　前記第２の交流電圧発生回路はＦＥＴを有し、前記ＦＥＴのドレインもしくはソースに接続された増幅回路、を備える、請求項１から３の何れかに記載の送電装置。
　電界結合により、送電装置から受電装置へ電力を伝送するワイヤレス電力伝送システムにおいて、
　前記受電装置は、
　受電側アクティブ電極と、
　受電側パッシブ電極と、
　前記受電側アクティブ電極と前記受電側パッシブ電極とに生じた交流電圧を整流および平滑する回路を含む受電側回路と、
　を備え、
　前記送電装置は、
　前記受電側アクティブ電極と間隙をおいて対向する送電側アクティブ電極と、
　前記受電側パッシブ電極と直接接触する、または間隙をおいて対向する送電側パッシブ電極と、
　第１の交流電圧発生回路と、
　前記送電側アクティブ電極および前記送電側パッシブ電極間の電位差を検出する検出回路と、
　前記第１の交流電圧発生回路より小電力の交流電圧を前記送電側アクティブ電極および前記送電側パッシブ電極に印加する第２の交流電圧発生回路と、
　前記第１の交流電圧発生回路をオン・オフ制御する第１制御部と、
　前記の交流電圧発生第２回路をオン・オフ制御する第２制御部と、
　を備え、
　前記第１制御部は、前記第２制御部が前記第２の交流電圧発生回路をオンとし、前記検出回路で検出された電位差が変化したときに、前記第１の交流電圧発生回路がオンとなるよう制御を開始する、
　ワイヤレス電力伝送システム。